מערכות תקשורת אופטיות: מטרה, היסטוריית יצירה, יתרונות

איך נוצר החיבור לחשמל?

אבות הטיפוס של מערכות תקשורת מודרניות הופיעו במאה הקודמת ועד סוף חוטי הטלגרף שלהן סיבכו את כל העולם. מאות אלפי מברקים שודרו מעליהם, ועד מהרה הפסיק הטלגרף להתמודד עם העומס. השיגורים התעכבו ועדיין לא הייתה תקשורת טלפונית ורדיו למרחקים ארוכים.

בתחילת המאה ה-20 הומצאה צינור האלקטרונים. טכנולוגיית הרדיו החלה להתפתח במהירות, יסודות האלקטרוניקה הונחו. מאותתים למדו להעביר גלי רדיו לא רק דרך החלל (דרך האוויר), אלא גם לשלוח אותם דרך חוטים ודרך כבלי תקשורת.

השימוש בגלי רדיו שימש בסיס לדחיסת החלק היקר והלא יעיל ביותר של מערכות העברת מידע - מכשירים ליניאריים. באמצעות דחיסת הקו בתדירות, בזמן, בשיטות מיוחדות של "אריזה" מידע, ניתן היום להעביר עשרות אלפי מסרים שונים בקו בודד ליחידת זמן. תקשורת כזו נקראת רב ערוצית.

הגבולות בין סוגי תקשורת שונים החלו להיטשטש. הם השלימו זה את זה בצורה הרמונית, טלגרף, טלפון, רדיו, ומאוחר יותר טלוויזיה, ממסר רדיו, ומאוחר יותר תקשורת לוויינית, חלל אוחדו במערכת תקשורת חשמלית משותפת.

טכנולוגיות תקשורת מודרניות

אטימות מידע של ערוצי תקשורת

גלים באורך של 3000 ק"מ עד 4 מ"מ פועלים בערוצי העברת המידע. הציוד בפעולה מסוגל לשדר 400 מגה-ביט לשנייה על פני ערוץ תקשורת (400 Mbit/s זה 400 מיליון ביט לשנייה). אם ניקח אות בסדר הזה ל-1 סיביות, אז 400 Mbit יהוו ספרייה של 500 כרכים, כל אחד עם 20 גיליונות מודפסים).

האם אמצעי התקשורת החשמליים הנוכחיים דומים לאבות הטיפוס שלהם מהמאה הקודמת? כמעט זהה למטוס קפיצות ראווה. למרות כל השלמות של הציוד בערוצי תקשורת מודרניים, אבוי, זה צפוף מדי: הרבה יותר קרוב מאשר בשנות ה -90 של המאה הקודמת.

חוטי טלגרף בסינסינטי, ארה"ב (תחילת המאה ה-20)

אישה מאזינה לרדיו באמצעות אוזניות, 28 במרץ 1923.

קיימת סתירה בין הצורך הגובר בהעברת מידע לבין המאפיינים הבסיסיים של התהליכים הפיזיים המשמשים כיום בערוצי תקשורת. על מנת לדלל את "צפיפות המידע", יש צורך לכבוש גלים קצרים יותר ויותר, כלומר לשלוט בתדרים גבוהים יותר ויותר. טבען של תנודות אלקטרומגנטיות הוא כזה שככל שתדירותן גבוהה יותר, כך ניתן להעביר יותר מידע ליחידת זמן על פני ערוץ התקשורת.

אבל עם כל הקשיים הגדולים יותר איתם נאלצים מתקשרים להתמודד: עם ירידה בגל, הרעשים הפנימיים (המהותיים) של המכשירים הקולטים עולים בחדות, הספק של הגנרטורים יורד והיעילות יורדת באופן משמעותי. משדרים, ומכל החשמל הנצרך, רק חלק קטן הופך לאנרגיית גלי רדיו שימושית.

שנאי המוצא של מעגל שידור הצינור של תחנת הרדיו נאואן בגרמניה עם טווח של למעלה מ-20,000 קילומטרים (אוקטובר 1930)

תקשורת הרדיו UHF הראשונה הוקמו בין הוותיקן למעון הקיץ של האפיפיור פיוס ה-11, 1933.

גלים קצרים במיוחד (UHF) מאבדים את האנרגיה שלהם במהירות קטסטרופלית לאורך הדרך. לכן, יש להגביר ולחדש (לשחזר) את אותות ההודעות לעתים קרובות מדי. עלינו לפנות לציוד מורכב ויקר. תקשורת בטווח הסנטימטרים של גלי רדיו, שלא לדבר על טווח המילימטרים, מתמודדת עם מכשולים רבים.

חסרונות של ערוצי תקשורת חשמליים

כמעט כל התקשורת החשמלית המודרנית היא רב-ערוצית. כדי לשדר בערוץ של 400 Mbit/s, אתה צריך לעבוד בטווח הדצימימטר של גלי רדיו. זה אפשרי רק בנוכחות ציוד מורכב מאוד וכמובן, כבל מיוחד בתדר גבוה (קואקסיאלי), המורכב מזוג קואקסיאלי אחד או יותר.

בכל זוג, המוליכים החיצוניים והפנימיים הם גלילים קואקסיאליים. שני זוגות כאלה יכולים להעביר בו זמנית 3,600 שיחות טלפון או מספר תוכניות טלוויזיה. אולם במקרה זה, יש להגביר ולחדש את האותות כל 1.5 ק"מ.

איש אות מסוגנן בשנות ה-20

ערוצי התקשורת נשלטים על ידי קווי כבלים. הם מוגנים מפני השפעות חיצוניות, הפרעות חשמליות ומגנטיות. הכבלים עמידים ואמינים בפעולה, הם נוחים להנחת בסביבות שונות.

עם זאת, ייצור כבלים וחוטי תקשורת לוקח יותר ממחצית מהייצור העולמי של מתכות אל-ברזליות, שמאגריהן הולכים ומתמעטים במהירות.

המתכת הולכת ונעשית יקרה יותר. וייצור כבלים, במיוחד קואקסיאליים, הוא עסק מורכב ועתיר אנרגיה במיוחד. והצורך בהם הולך וגדל. לכן, לא קשה לדמיין מהן העלויות להקמת קווי תקשורת והפעלתם.

התקנת קו כבלים בניו יורק, 1888.

רשת התקשורת היא המבנה המרהיב והיקר ביותר שהאדם יצר אי פעם על פני כדור הארץ. איך לפתח אותו עוד יותר, אם כבר בשנות ה-50 של המאה העשרים התברר שהטלקומוניקציה מתקרבת לסף ההיתכנות הכלכלית שלה?

השלמת קו הטלפון הטרנס-יבשתי, וונדובר, יוטה, 1914.

כדי לבטל את "צפיפות המידע בערוצי תקשורת, היה צורך ללמוד כיצד להשתמש בטווחים האופטיים של תנודות אלקטרומגנטיות. אחרי הכל, לגלי אור יש פי מיליוני יותר רעידות מאשר VHF.

אם היה נוצר ערוץ תקשורת אופטי, ניתן היה להעביר בו זמנית כמה אלפי תוכניות טלוויזיה ועוד הרבה שיחות טלפון ושידורי רדיו.

המשימה נראתה מרתיעה. אבל בדרך לפתרונה, התעורר מעין מבוך של בעיות בפני המדענים והאותות. 200 איש לא ידע איך להתגבר על זה.

"טלוויזיה ורדיו סובייטיים" - תערוכה בפארק "סוקולניקי", מוסקבה, 5 באוגוסט 1959.

לייזרים

בשנת 1960 נוצר מקור אור מדהים - לייזר או מחולל קוונטי אופטי (LQG). למכשיר זה תכונות ייחודיות.

אי אפשר לספר על עקרון הפעולה ומכשיר הלייזרים השונים במאמר קצר. כבר היה מאמר מפורט על לייזרים באתר שלנו: המכשיר ועיקרון הפעולה של לייזרים... כאן אנו מגבילים את עצמנו למנות רק את המאפיינים של הלייזר שמשכו את תשומת לבם של עובדי התקשורת.

טד מיימן, מדריך נגד של הלייזר הפועל הראשון, 1960.

קודם כל, בואו נציין את הקוהרנטיות של הקרינה. אור הלייזר הוא כמעט מונוכרומטי (צבע אחד) ומתפצל במרחב פעמים פחות מהאור של הזרקור המושלם ביותר. האנרגיה המרוכזת בקרן המחט של הלייזר גבוהה מאוד. אלו ועוד כמה מאפיינים של הלייזר הם שהניעו את עובדי התקשורת להשתמש בלייזר לתקשורת אופטית.

הטיוטות הראשונות סוכמו כדלקמן. אם אתה משתמש בלייזר כמחולל ומווסת את האלומה שלו עם אות מסרים, אתה מקבל משדר אופטי. הפניית האלומה למקלט האור, נקבל ערוץ תקשורת אופטי. בלי חוטים, בלי כבלים. התקשורת תהיה דרך החלל (תקשורת לייזר פתוחה).

ניסיון בלייזר במעבדה מדעית

ניסויי מעבדה אישרו בצורה מבריקה את ההשערה של עובדי תקשורת. ועד מהרה הייתה הזדמנות לבחון את הקשר הזה בפועל.לרוע המזל, תקוותיהם של אנשי האות לתקשורת לייזר פתוחה על פני כדור הארץ לא התגשמו: גשם, שלג, ערפל גרמו לתקשורת לא ודאית ולעיתים קרובות ניתקו אותה לחלוטין.

התברר שגלי אור הנושאים מידע חייבים להיות מוגנים על ידי האטמוספירה. ניתן לעשות זאת בעזרת מובילי גל - צינורות מתכת דקים, אחידים וחלקים מאוד בפנים.

אבל מהנדסים וכלכלנים זיהו מיד את הקשיים הכרוכים ביצירת מובילי גל חלקים ואחידים. מובילי גלים היו יקרים יותר מזהב. כנראה שהמשחק לא היה שווה את הנר.

הם נאלצו לחפש דרכים חדשות ביסודו ליצירת מדריכי עולם. היה צריך לוודא שמובילי האור לא יהיו עשויים ממתכת, אלא מחומר גלם זול שאינו דל. לקח עשרות שנים לפתח סיבים אופטיים המתאימים להעברת מידע באמצעות אור.

הסיב הראשון כזה עשוי מזכוכית טהורה במיוחד. נוצר מבנה ליבה וקונכייה קואקסיאלית דו-שכבתית. סוגי הזכוכית נבחרו כך שלליבה מקדם שבירה גבוה יותר מהחיפוי.

השתקפות פנימית כמעט מוחלטת במדיום האופטי

אבל איך לחבר כוסות שונות כך שלא יהיו פגמים בגבול בין הליבה למעטפת? איך להשיג חלקות, אחידות ובו זמנית חוזק סיבים מקסימלי?

באמצעות מאמציהם של מדענים ומהנדסים, סוף סוף נוצר הסיב האופטי הרצוי. כיום מועברים אותות אור על פני מאות ואלפי קילומטרים דרכו. אבל מה הם חוקי התפשטות אנרגיית האור על מדיה מוליכה לא מתכתית (דיאלקטרית)?

מצבי סיבים

סיבים חד-מודים ורב-מודים שייכים לסיבים אופטיים שדרכם עובר האור, חווים פעולות של השתקפות פנימית חוזרת ונשנית בממשק חיפוי הליבה (מומחים מתכוונים לתנודות הטבעיות של מערכת התהודה ב"מצב").

האופנים של הסיב הם הגלים שלו, כלומר. אלה שנלכדים בליבת הסיב ומתפשטים לאורך הסיב מתחילתו ועד סופו.

סוג הסיב נקבע על פי עיצובו: הרכיבים מהם עשויים הליבה והחיפוי וכן היחס בין מידות הסיב לאורך הגל בשימוש (הפרמטר האחרון חשוב במיוחד).

בסיבים חד-מודים, קוטר הליבה חייב להיות קרוב לאורך הגל הטבעי. מבין הגלים הרבים, ליבת הסיב לוכדת רק אחד מהגלים שלו. לכן, הסיב (מדריך האור) נקרא מצב יחיד.

אם קוטר הליבה עולה על אורך גל מסוים, הסיב מסוגל להוליך כמה עשרות ואפילו מאות גלים שונים בבת אחת. כך פועלים סיבים מולטי-מודים.

העברת מידע באמצעות אור דרך סיבים אופטיים

אור מוזרק לסיב האופטי רק ממקור מתאים. לרוב - מלייזר. אבל שום דבר אינו מושלם מטבעו. לכן, קרן הלייזר, למרות המונוכרומטיות הטבועה בה, עדיין מכילה ספקטרום תדר מסוים, או, במילים אחרות, פולטת טווח מסוים של אורכי גל.

מה מלבד לייזר יכול לשמש מקור אור לסיבים אופטיים? נוריות בהירות גבוהה. עם זאת, כיווניות הקרינה בהם קטנה בהרבה מזו של לייזרים.לכן, פי כמה עשרות ומאות פחות אנרגיה מוכנסת לסיב על ידי הדיודות המושחתות מאשר על ידי הלייזר.

כאשר קרן לייזר מכוונת לליבה של הסיב, כל גל פוגע בו בזווית מוגדרת בהחלט. משמעות הדבר היא שגלים עצמיים שונים (מצבים) עבור אותו מרווח זמן עוברים דרך הסיב (מההתחלה ועד הסוף) נתיבים באורכים שונים. זה פיזור גלים.

ומה קורה לאותות? עוברים נתיב אחר בסיב במשך אותו מרווח זמן, הם יכולים להגיע לקצה הקו בצורה מעוותת.מומחים קוראים לתופעה זו פיזור מצב.

הליבה והמעטפת של הסיב דומים. כבר הוזכר, הם עשויים מזכוכית עם מדדי שבירה שונים. ומקדם השבירה של כל חומר תלוי באורך הגל של האור שמשפיע על החומר. לכן, יש פיזור של החומר, או במילים אחרות, פיזור חומרי.

אורך גל, מצב, פיזור חומר הם שלושה גורמים המשפיעים לרעה על העברת אנרגיית האור דרך סיבים אופטיים.

אין פיזור מצב בסיבים חד-מצביים. לכן, סיבים כאלה יכולים להעביר פי מאות יותר מידע ליחידת זמן מאשר סיבים מולטי-מודים. מה לגבי פיזור של גלים וחומרים?

בסיבים חד-מודים מנסים להבטיח שבתנאים מסוימים, פיזור הגל והחומר מבטלים זה את זה. לאחר מכן, ניתן היה ליצור סיב כזה, שבו ההשפעה השלילית של מצב ופיזור גלים נחלשה באופן משמעותי. איך הסתדרת?

בחרנו את גרף התלות של השינוי במקדם השבירה של חומר הסיבים עם שינוי במרחק שלו מהציר (לאורך הרדיוס) לפי החוק הפרבולי. האור נע לאורך סיב כזה מבלי לחוות פעולות השתקפות מוחלטת מרובות בממשק חיפוי הליבה.

ארון חלוקת תקשורת. כבלים צהובים הם סיבים חד-מצביים, כבלים כתומים וכחולים הם סיבים מולטי-מודים

נתיבי האור הנלכד על ידי הסיב האופטי שונים. קרניים מסוימות מתפשטות לאורך ציר הליבה, סוטה ממנו לכיוון זה או אחר במרחקים שווים ("נחש"), אחרות השוכבות במישורים החוצים את ציר הסיב יוצרות קבוצה של ספירלות. הרדיוס של חלקם נשאר קבוע, הרדיוסים של אחרים משתנים מעת לעת. סיבים כאלה נקראים שבירה או שיפוע.

חשוב מאוד לדעת; באיזו זווית מגבילה יש לכוון את האור לקצה כל סיב אופטי. זה קובע כמה אור ייכנס לסיב ויולך מתחילתו ועד סופו של הקו האופטי. זווית זו נקבעת על ידי הצמצם המספרי של הסיב (או פשוט - הצמצם).

תקשורת אופטית

FOCL

בתור קווי תקשורת אופטיים (FOCL), לא ניתן להשתמש בסיבים אופטיים, עצמם דקים ושבירים. סיבים משמשים כחומר גלם לייצור כבלי סיבים אופטיים (FOC). FOCs מיוצרים במגוון עיצובים, צורות ומטרות.

מבחינת חוזק ואמינות, FOCs אינם נחותים מהאב-טיפוס עתירי המתכות שלהם וניתן להניח אותם באותן סביבות כמו כבלים עם מוליכים מתכתיים - באוויר, מתחת לאדמה, בקרקעית הנהרות והימים. WOK הרבה יותר קל.חשוב לציין, FOCs אינם רגישים לחלוטין להפרעות חשמליות ולהשפעות מגנטיות. אחרי הכל, קשה להתמודד עם הפרעות כאלה בכבלי מתכת.

כבלים אופטיים מהדור הראשון בשנות ה-80 וה-90 החליפו בהצלחה כבישים מהירים קואקסיאליים בין מרכזיות טלפון אוטומטיות. אורכם של קווים אלו לא עלה על 10-15 ק"מ, אך אנשי האותות נשמו לרווחה כאשר ניתן היה להעביר את כל המידע הדרוש ללא מחדשי ביניים.

היצע גדול של "מרחב מחיה" הופיע בערוצי תקשורת, והמושג "אטימות מידע" איבד את הרלוונטיות שלו. קל, דק וגמיש מספיק, ה-FOC הונח ללא קושי בטלפון התת-קרקעי הקיים.

עם מרכזיית הטלפון האוטומטית היה צורך להוסיף ציוד פשוט הממיר אותות אופטיים לחשמל (בכניסה מהתחנה הקודמת) וחשמלי לאופטי (ביציאה לתחנה הבאה). כל ציוד המיתוג, קווי המנוי והטלפונים שלהם לא עברו כל שינוי. הכל יצא, כמו שאומרים, זול ועליז.

התקנת כבל סיבים אופטיים בעיר

התקנת כבל אופטי על תמיכת קו ההולכה העילי

באמצעות קווי תקשורת אופטיים מודרניים, מידע מועבר לא בצורה אנלוגית (רציפה), אלא בצורה דיסקרטית (דיגיטלית).

קווי תקשורת אופטיים, הם אפשרו ב-30-40 השנים האחרונות לבצע טרנספורמציות מהפכניות בטכנולוגיות התקשורת ובמהירות יחסית במשך תקופה ארוכה לשים קץ לבעיית "אטימות המידע" בערוצי העברת המידע.בין כל אמצעי התקשורת והשידור, מידע, קווי תקשורת אופטיים תופסים עמדה מובילה וישלטו לאורך המאה ה-XXI.

בנוסף:

עקרון המרה והעברת מידע על סיבים אופטיים

כבלים אופטיים - מכשיר, סוגים ומאפיינים