Sistemi di comunicazione ottica: scopo, storia della creazione, vantaggi
Come è avvenuto il collegamento elettrico?
I prototipi dei moderni sistemi di comunicazione sono apparsi nel secolo scorso e alla fine dei loro fili telegrafici avevano impigliato il mondo intero. Su di loro furono trasmessi centinaia di migliaia di telegrammi e presto il telegrafo cessò di far fronte al carico. Gli invii erano in ritardo e non c'erano ancora comunicazioni telefoniche e radio a lunga distanza.
All'inizio del XX secolo fu inventato il tubo elettronico. La tecnologia radio iniziò a svilupparsi rapidamente, furono gettate le basi dell'elettronica. I segnalatori hanno imparato a trasmettere le onde radio non solo attraverso lo spazio (attraverso l'aria), ma anche a inviarle su fili e attraverso cavi di comunicazione.
L'uso delle onde radio è servito come base per compattare la parte più costosa e inefficiente dei sistemi di trasmissione delle informazioni: i dispositivi lineari. Comprimendo la linea in frequenza, nel tempo, utilizzando particolari metodi di "impacchettamento" delle informazioni, oggi è possibile trasmettere decine di migliaia di messaggi diversi su un'unica linea per unità di tempo. Tale comunicazione è chiamata multicanale.
I confini tra i diversi tipi di comunicazione iniziarono a confondersi. Si completavano armoniosamente a vicenda, telegrafo, telefono, radio e successivamente televisione, ripetitore radio e successivamente satellite, le comunicazioni spaziali erano unite in un comune sistema di comunicazione elettrica.
Moderne tecnologie di comunicazione
Ristrettezza informativa dei canali di comunicazione
Onde con una lunghezza da 3000 km a 4 mm lavorano nei canali di trasmissione delle informazioni. L'apparecchiatura è in funzione in grado di trasmettere 400 megabit al secondo su un canale di comunicazione (400 Mbit / s è 400 milioni di bit al secondo). Se prendiamo una lettera in questo ordine per 1 bit, allora 400 Mbit costituiranno una biblioteca di 500 volumi, ciascuno con 20 fogli stampati).
Gli attuali mezzi di comunicazione elettrica sono simili ai loro prototipi del secolo scorso? Più o meno come un aereo da salto ostacoli. Nonostante tutta la perfezione delle attrezzature nei moderni canali di comunicazione, ahimè, è troppo affollato: molto più vicino che negli anni '90 del secolo scorso.
Fili telegrafici a Cincinnati, USA (inizio XX secolo)
Una donna ascolta la radio in cuffia, 28 marzo 1923.
Esiste una contraddizione tra il crescente bisogno di trasmissione di informazioni e le proprietà di base dei processi fisici attualmente utilizzati nei canali di comunicazione. Per diluire la "densità di informazioni", è necessario conquistare onde sempre più corte, cioè padroneggiare frequenze sempre più alte. La natura delle oscillazioni elettromagnetiche è tale che maggiore è la loro frequenza, più informazioni per unità di tempo possono essere trasmesse sul canale di comunicazione.
Ma con tutte le maggiori difficoltà che i comunicatori devono affrontare: con una diminuzione dell'onda, i rumori interni (intrinseci) dei dispositivi riceventi aumentano bruscamente, la potenza dei generatori diminuisce e l'efficienza diminuisce notevolmente. trasmettitori e di tutta l'elettricità consumata, solo una piccola parte viene convertita in energia utile di onde radio.
Il trasformatore di uscita del circuito di trasmissione a valvole della stazione radio di Nauen in Germania con una portata di oltre 20.000 chilometri (ottobre 1930)
Le prime comunicazioni radio UHF furono stabilite tra il Vaticano e la residenza estiva di Papa Pio XI, 1933.
Le onde ultra corte (UHF) perdono la loro energia in modo catastrofico e rapido lungo il percorso. Pertanto, i segnali dei messaggi devono essere amplificati e rigenerati (ripristinati) troppo spesso, dobbiamo ricorrere ad apparecchiature complesse e costose. La comunicazione nella gamma centimetrica delle onde radio, per non parlare della gamma millimetrica, deve affrontare numerosi ostacoli.
Svantaggi dei canali di comunicazione elettrica
Quasi tutte le moderne comunicazioni elettriche sono multicanale. Per trasmettere su un canale a 400 Mbit / s, è necessario lavorare nella gamma dei decimetri delle onde radio. Ciò è possibile solo in presenza di apparecchiature molto complesse e, ovviamente, di uno speciale cavo ad alta frequenza (coassiale), costituito da una o più coppie coassiali.
In ogni coppia, i conduttori esterno ed interno sono cilindri coassiali. Due di queste coppie possono trasmettere contemporaneamente 3.600 telefonate o diversi programmi TV. In questo caso però i segnali devono essere amplificati e rigenerati ogni 1,5 km.
Un elegante segnalatore negli anni '20
I canali di comunicazione sono dominati dalle linee via cavo. Sono protetti da influenze esterne, disturbi elettrici e magnetici. I cavi sono durevoli e affidabili nel funzionamento, sono convenienti per la posa in ambienti diversi.
Tuttavia, la produzione di cavi e cavi di comunicazione assorbe più della metà della produzione mondiale di metalli non ferrosi, le cui riserve si stanno rapidamente esaurendo.
Il metallo sta diventando più costoso. E la produzione di cavi, soprattutto coassiali, è un'attività complessa ed estremamente energivora. E il bisogno di loro sta crescendo. Pertanto, non è difficile immaginare quali siano i costi per la costruzione delle linee di comunicazione e il loro funzionamento.
Installazione di una linea in cavo a New York, 1888.
La rete di comunicazione è la struttura più spettacolare e costosa che l'uomo abbia mai creato sulla Terra. Come svilupparlo ulteriormente, se già negli anni '50 del XX secolo diventava chiaro che le telecomunicazioni si stavano avvicinando alla soglia della sua fattibilità economica?
Completamento della linea telefonica transcontinentale, Wendover, Utah, 1914.
Per eliminare la "densità di informazioni nei canali di comunicazione, era necessario imparare a utilizzare le gamme ottiche delle oscillazioni elettromagnetiche. Dopotutto, le onde luminose hanno milioni di volte più vibrazioni del VHF.
Se si creasse un canale di comunicazione ottico, sarebbe possibile trasmettere contemporaneamente diverse migliaia di programmi televisivi e molte più telefonate e trasmissioni radiofoniche.
Il compito sembrava arduo. Ma sulla strada per la sua soluzione, davanti agli scienziati e ai segnalatori sorse una sorta di labirinto di problemi. XX secoli nessuno sapeva come superarlo.
"Televisione e radio sovietiche" — mostra nel parco "Sokolniki", Mosca, 5 agosto 1959.
Laser
Nel 1960 fu creata un'incredibile fonte di luce: un laser o un generatore quantico ottico (LQG). Questo dispositivo ha proprietà uniche.
È impossibile raccontare il principio di funzionamento e il dispositivo di vari laser in un breve articolo. C'era già un articolo dettagliato sui laser sul nostro sito web: Il dispositivo e il principio di funzionamento dei laser… Qui ci limitiamo ad enumerare solo quelle caratteristiche del laser che hanno attirato l'attenzione degli operatori della comunicazione.
Ted Mayman, controistruttore del primo laser funzionante, 1960.
Prima di tutto, enunciamo la coerenza della radiazione. La luce laser è quasi monocromatica (un colore) e diverge nello spazio volte meno della luce del proiettore più perfetto. L'energia concentrata nel raggio dell'ago del laser è molto alta. Sono state queste e alcune altre proprietà del laser a spingere i lavoratori delle comunicazioni a utilizzare il laser per la comunicazione ottica.
Le prime bozze sono state riassunte come segue. Se usi un laser come generatore e moduli il suo raggio con un segnale di messaggio, ottieni un trasmettitore ottico. Dirigendo il raggio verso il ricevitore di luce, otteniamo un canale di comunicazione ottico. Niente fili, niente cavi. La comunicazione avverrà attraverso lo spazio (comunicazione laser aperta).
Esperienza con i laser in un laboratorio di scienze
Gli esperimenti di laboratorio hanno confermato brillantemente l'ipotesi dei lavoratori della comunicazione. E presto ci fu l'opportunità di testare questa relazione nella pratica.Sfortunatamente, le speranze dei segnalatori per una comunicazione laser aperta sulla Terra non si sono avverate: pioggia, neve, nebbia rendevano la comunicazione incerta e spesso la interrompevano completamente.
È diventato ovvio che le onde luminose che trasportano informazioni devono essere schermate dall'atmosfera. Questo può essere fatto con l'aiuto di guide d'onda: tubi metallici sottili, uniformi e molto lisci all'interno.
Ma gli ingegneri e gli economisti riconobbero immediatamente le difficoltà legate alla realizzazione di guide d'onda assolutamente lisce e uniformi. Le guide d'onda erano più costose dell'oro. A quanto pare il gioco non valeva la candela.
Hanno dovuto cercare modi fondamentalmente nuovi per creare guide mondiali. Bisognava assicurarsi che le guide luminose non fossero fatte di metallo, ma di una materia prima economica e non scarsa. Ci sono voluti decenni per sviluppare fibre ottiche adatte a trasmettere informazioni utilizzando la luce.
La prima fibra di questo tipo è realizzata in vetro ultrapuro. È stata creata un'anima coassiale a due strati e una struttura a guscio. I tipi di vetro sono stati scelti in modo che il nucleo abbia un indice di rifrazione più elevato rispetto al rivestimento.
Riflessione interna quasi totale nel mezzo ottico
Ma come collegare vetri diversi in modo che non ci siano difetti al confine tra il nucleo e il guscio? Come ottenere morbidezza, uniformità e allo stesso tempo la massima resistenza delle fibre?
Grazie agli sforzi di scienziati e ingegneri, è stata finalmente creata la fibra ottica desiderata. Oggi i segnali luminosi vengono trasmessi attraverso di esso per centinaia e migliaia di chilometri. Ma quali sono le leggi di propagazione dell'energia luminosa su mezzi conduttori non metallici (dielettrici)?
Modalità fibra
Le fibre monomodali e multimodali appartengono alle fibre ottiche attraverso le quali la luce viaggia, sperimentando atti di riflessione interna ripetuta all'interfaccia core-cladding (gli esperti intendono le oscillazioni naturali del sistema risonatore per "modalità").
I modi della fibra sono le sue stesse onde, cioè quelli che vengono catturati dal nucleo della fibra e si diffondono lungo la fibra dall'inizio alla fine.
Il tipo di fibra è determinato dal suo design: i componenti da cui sono realizzati l'anima e il rivestimento, nonché il rapporto tra le dimensioni della fibra e la lunghezza d'onda utilizzata (l'ultimo parametro è particolarmente importante).
Nelle fibre monomodali, il diametro del nucleo deve essere vicino alla lunghezza d'onda naturale. Delle tante onde, il nucleo della fibra cattura solo una delle proprie onde. Pertanto, la fibra (guida di luce) è chiamata monomodale.
Se il diametro del nucleo supera la lunghezza di una certa onda, la fibra è in grado di condurre diverse decine o addirittura centinaia di onde diverse contemporaneamente. Ecco come funziona la fibra multimodale.
Trasmissione di informazioni mediante luce attraverso fibre ottiche
La luce viene iniettata nella fibra ottica solo da una sorgente appropriata. Il più delle volte — da un laser. Ma niente è perfetto per natura. Pertanto, il raggio laser, nonostante la sua intrinseca monocromaticità, contiene ancora un certo spettro di frequenza o, in altre parole, emette un certo intervallo di lunghezze d'onda.
Cosa oltre a un laser può servire come fonte di luce per le fibre ottiche? LED ad alta luminosità. Tuttavia, la direttività della radiazione in essi è molto inferiore a quella dei laser.Pertanto, l'energia immessa nella fibra dai diodi bruciacchiati è di decine e centinaia di volte inferiore a quella del laser.
Quando un raggio laser viene diretto verso il nucleo della fibra, ogni onda la colpisce con un angolo strettamente definito. Ciò significa che diverse onde auto (modi) per lo stesso intervallo di tempo attraversano la fibra (dal suo inizio alla fine) percorsi di lunghezze diverse. Questa è la dispersione delle onde.
E cosa succede ai segnali? Percorrendo un percorso diverso nella fibra per lo stesso intervallo di tempo, possono raggiungere la fine della linea in una forma distorta.Gli esperti chiamano questo fenomeno dispersione di modalità.
Il nucleo e la guaina della fibra sono simili. già accennato, sono realizzati in vetro con diversi indici di rifrazione. E l'indice di rifrazione di qualsiasi sostanza dipende dalla lunghezza d'onda della luce che colpisce la sostanza. Pertanto, c'è una dispersione della materia, o in altre parole, una dispersione materiale.
Lunghezza d'onda, modalità, dispersione del materiale sono tre fattori che influenzano negativamente la trasmissione dell'energia luminosa attraverso le fibre ottiche.
Non c'è dispersione di modalità nelle fibre monomodali. Pertanto, tali fibre possono trasmettere centinaia di volte più informazioni per unità di tempo rispetto alle fibre multimodali. E le dispersioni di onde e materiali?
Nelle fibre monomodali si cerca di garantire che, in determinate condizioni, le dispersioni ondulatorie e di materiale si annullino a vicenda. Successivamente, è stato possibile creare una tale fibra, in cui l'effetto negativo della modalità e della dispersione delle onde è stato notevolmente indebolito. Come ci sei riuscito?
Abbiamo selezionato il grafico della dipendenza della variazione dell'indice di rifrazione del materiale in fibra con una variazione della sua distanza dall'asse (lungo il raggio) secondo la legge parabolica. La luce viaggia lungo tale fibra senza subire molteplici atti di riflessione totale all'interfaccia nucleo-rivestimento.
Armadio di distribuzione della comunicazione. I cavi gialli sono fibre monomodali, i cavi arancioni e blu sono fibre multimodali
I percorsi della luce catturata dalla fibra ottica sono diversi. Alcuni raggi si diffondono lungo l'asse del nucleo, deviando da esso in una direzione o nell'altra a distanze uguali ("serpente"), altri giacendo nei piani che attraversano l'asse della fibra formano un insieme di spirali. Il raggio di alcuni rimane costante, i raggi di altri cambiano periodicamente. Tali fibre sono chiamate rifrangenti o gradiente.
È molto importante sapere; a quale angolo limite deve essere diretta la luce all'estremità di ciascuna fibra ottica. Questo determina quanta luce entrerà nella fibra e sarà condotta dall'inizio alla fine della linea ottica. Questo angolo è determinato dall'apertura numerica della fibra (o semplicemente dall'apertura).
Comunicazione ottica
FOCL
Come linee di comunicazione ottica (FOCL), le fibre ottiche, esse stesse sottili e fragili, non possono essere utilizzate. Le fibre sono utilizzate come materia prima per la produzione di cavi in fibra ottica (FOC). I FOC sono prodotti in una varietà di design, forme e scopi.
In termini di resistenza e affidabilità, i FOC non sono inferiori ai loro prototipi ad alta intensità di metallo e possono essere posati negli stessi ambienti dei cavi con conduttori metallici: nell'aria, nel sottosuolo, sul fondo dei fiumi e dei mari. WOK è molto più semplice.È importante sottolineare che i FOC sono completamente insensibili ai disturbi elettrici e alle influenze magnetiche. Dopotutto, è difficile gestire tali interferenze nei cavi metallici.
I cavi ottici di prima generazione negli anni '80 e '90 hanno sostituito con successo le autostrade coassiali tra centrali telefoniche automatiche. La lunghezza di queste linee non superava i 10-15 km, ma i segnalatori hanno tirato un sospiro di sollievo quando è stato possibile trasmettere tutte le informazioni necessarie senza rigeneratori intermedi.
Una grande offerta di "spazio vitale" è apparsa nei canali di comunicazione e il concetto di "ristrettezza delle informazioni" ha perso la sua rilevanza. Leggero, sottile e sufficientemente flessibile, il FOC è stato posato senza difficoltà nel telefono interrato esistente.
Con la centrale telefonica automatica è stato necessario aggiungere semplici apparecchiature che convertono i segnali ottici in elettrici (in ingresso dalla stazione precedente) ed elettrici in ottici (in uscita alla stazione successiva). Tutte le apparecchiature di commutazione, le linee degli abbonati e i loro telefoni non hanno subito modifiche. Tutto si è rivelato, come si suol dire, economico e allegro.
Installazione di cavi in fibra ottica in città
Installazione del cavo ottico sul supporto della linea di trasmissione aerea
Attraverso le moderne linee di comunicazione ottica, le informazioni vengono trasmesse non in forma analogica (continua), ma in forma discreta (digitale).
Linee di comunicazione ottiche, hanno permesso negli ultimi 30-40 anni di effettuare trasformazioni rivoluzionarie nelle tecnologie di comunicazione e in tempi relativamente brevi per un lungo periodo di tempo per porre fine al problema della "rigidità delle informazioni" nei canali di trasmissione delle informazioni.Tra tutti i mezzi di comunicazione e trasmissione, l'informazione, le linee di comunicazione ottica occupano una posizione di primo piano e domineranno per tutto il XXI secolo.
Inoltre:
Il principio di conversione e trasmissione di informazioni su fibre ottiche