Волоконно-оптические системы связи являются одним из самых современных и эффективных способов передачи информации на большие расстояния. Волоконно-оптическая связь основана на использовании тонких стеклянных или пластиковых волокон, по которым передаются световые импульсы, кодирующие данные.
Этот метод обладает рядом преимуществ перед традиционными медными кабелями или радиоволнами, такими как:
- Высокая скорость и емкость передачи данных. Волоконно-оптические линии могут передавать до терабит в секунду, что в десятки раз больше, чем у других видов связи.
- Низкие потери сигнала. Такие линии имеют очень маленькое затухание сигнала, что позволяет передавать данные на расстояния до сотен километров без усилителей.
- Высокая надежность и безопасность. Такие линии не подвержены электромагнитным помехам, перегрузкам или коррозии, а также сложно подслушать или перехватить.
- Экономичность и экологичность.
Волоконно-оптические линии требуют меньше энергии и материалов для производства и эксплуатации, чем другие виды связи, а также не загрязняют окружающую среду.
Волоконно-оптические системы связи имеют широкое применение в различных областях, таких как телекоммуникации, интернет, телевидение, медицина, наука и оборона. Они позволяют обеспечить высококачественную и быструю связь между людьми и устройствами по всему миру. Волоконно-оптическая связь является одной из самых перспективных технологий настоящего и будущего.
Как возникла электрическая связь
Прототипы современных систем связи появились в прошлом столетии и к концу его телеграфные провода опутали весь мир. По ним передавались сотни тысяч телеграмм, и вскоре телеграф перестал справляться с нагрузкой. Депеши опаздывали, А дальней телефонной и радиосвязи еще не было.
В начале XX столетия была изобретена электронная лампа. Начала бурно развиваться радиотехника, закладывались основы электроники. Связисты научились передавать радиоволны не только через пространство (по эфиру), но и посылать их вдоль проводов и по кабелям связи.
Использование радиоволн послужило основой для уплотнения самой дорогой и малоэффективной части систем передачи информации — линейных устройств. Уплотняя линию по частоте, во времени, применяя особые методы «упаковки» информации, сегодня удается по одной линии в единицу времени передавать десятки тысяч разных сообщений. Такая связь называется многоканальной.
Стали стираться грани между различными видами связи. Гармонично дополняя друг друга, телеграф, телефон, радио, а впоследствии и телевидение, радиорелейная, а позже и спутниковая, космическая связь объединились в общую систему электрической связи.
Современные технологии связи
Информационная теснота каналов связи
В каналах передачи информации действуют волны длиной от 3000 км до 4 мм. Эксплуатируется аппаратура, способная передать по каналу связи 400 мегабит в секунду (400 Мбит/с — это 400 миллионов бит в секунду). Если принять букву в этой строке за 1 бит, то 400 Мбит составят библиотеку из 500 томов, в каждом из которых по 20 печатных листов).
Похожи ли нынешние средства электрической связи, на свои прототипы прошлого века? Примерно так же, как реактивный лайнер на конку. Однако при всем совершенстве оборудования в современных каналах связи, увы, слишком тесно: куда тесней, чем в 90-х годах позапрошлого века.
Телеграфные провода в Цинциннати, США (начало XX века)
Женщина слушает радио через наушники, 28 марта 1923 года
Существует противоречие между растущей потребностью в передаче информации и основными свойствами физических процессов, используемых ныне в каналах связи. Чтобы разредить «информационную тесноту», приходится покорять все более короткие волны, т. е. осваивать все более высокие частоты. Природа электромагнитных колебаний такова, что чем выше их частота, тем больше информации в единицу времен удается передать по каналу связи.
Но с тем большими трудностями приходится сталкиваться связистам: по мере укорочения волны резко возрастают внутренние (собственные) шумы приемных устройств, снижается мощность генераторов, значительно уменьшается к.п.д. передатчиков, и из всей затраченной электроэнергии лишь незначительная часть преобразуется в полезную энергию радиоволн.
Выходной трансформатор схемы радиолампового передатчика радиостанции Науэн в Германии с радиусом действия более 20000 километров (октябрь 1930 года)
Между Ватиканом и летней резиденцией Папы Пия XI устанавливается первая ультракоротковолновая радиосвязь, 1933 год.
Ультракороткие волны (УКВ) катастрофически быстро теряют свою энергию в пути. Поэтому сигналы сообщения необходимо усиливать и регенерировать (восстанавливать) слишком часто. Приходится прибегать к сложной и дорогой аппаратуре. Связь в сантиметровом диапазоне радиоволн, не говоря уже о диапазоне миллиметровом, сталкивается с массой препятствий.
Недостатки электрических каналов связи
Почти вся современная электрическая связь — многоканальная. Чтобы передать по каналу 400 Мбит/с, приходится работать в децимиллиметровом диапазоне радиоволн. Возможно это только при наличии весьма сложной аппаратуры и, конечно, специального высокочастотного (коаксиального) кабеля, который состоит из одной или нескольких коаксиальных пар.
В каждой паре внешний и внутренний проводники представляют собой соосные цилиндры. По двум таким парам можно одновременно передавать 3600 телефонных переговоров или несколько телевизионных программ. Однако при этом сигналы приходится усиливать и регенерировать через каждые 1,5 км.
Стильный связист в 1920-е годы
В каналах связи доминируют кабельные линейные сооружения. Они защищены от внешних воздействий, электрических и магнитных помех. Кабели долговечны и надежны в эксплуатации, их удобно прокладывать в разных средах.
Однако на изготовление кабелей и проводов связи уходит больше половины мировой добычи цветных металлов, запасы которых быстро сокращаются.
Металл дорожает. Да и само изготовление кабелей, особенно коаксиальных — дело сложное, чрезвычайно энергоемкое. А потребность в них растет. Поэтому нетрудно представить себе, во что обходится строительство линий связи, их эксплуатация.
Монтаж кабельной линии в Нью-Йорке, 1888 год
Сеть связи — самое грандиозное и дорогое сооружение, которое когда-либо создавал на Земле человек. Как же развивать ее дальше, если уже в 50-х годах XX века стало ясно что электросвязь приближается к порогу своей экономической целесообразности?
Завершение строительства трансконтинентальной телефонной линии, Вендовер, Юта, 1914 г.
Чтобы ликвидировать «информационную тесноту в каналах связи, нужно было научиться использовать оптические диапазоны электромагнитных колебаний. Ведь световые волны имеют в миллионы раз больше колебаний, чем УКВ.
Если создать оптический канал связи, то по нему можно было бы одновременно передавать несколько тысяч телевизионных программ и куда больше телефонных переговоров, радиопередач».
Задача представлялась грандиозной. Но на пути к ее решению перед учеными и связистами возник своеобразный лабиринт проблем, В 50-е годы XX века никто не знал, как его преодолеть.
"Советское телевидение и радио" - выставка в парке "Сокольники", Москва, 5 августа 1959 г.
Лазеры
В 1960 году был создан удивительный источник света — лазер, или оптический квантовый генератор (ОКГ). Прибор этот отличается уникальными свойствами.
Рассказать о принципе действия и устройстве различных лазеров в рамках небольшой статьи невозможно. Про лазеры на нашем сайте ранее уже была подробная статья: Устройство и принцип действия лазеров. Здесь же ограничимся лишь перечислением тех особенностей лазера, которые привлекли внимание связистов.
Тед Мейман, конструктор первого рабочего лазера, 1960 г.
Прежде всего укажем на когерентность излучения. Свет лазера почти монохроматичен (одноцветен) и расходится в пространстве во много раз меньше, чем свет самого совершенного прожектора. Энергия, сосредоточенная в игольчатом пучке лазера, весьма велика. Именно эти и некоторые другие свойства ОКГ натолкнули связистов на мысль использовать лазер для оптической связи.
Первые проекты сводились в общих чертах к следующему. Если использовать лазер в качестве генератора и промодулировать его луч сигналом сообщения, получится оптический передатчик. Направив луч на приемник света, получаем канал оптической связи. Без проводов, без кабелей. Связь будет осуществляться через пространство (открытая лазерная связь).
Опыт с лазерами в научной лаборатории
Лабораторные опыты блестяще подтвердили гипотезу связистов. А вскоре представился удобный случай проверить такую связь и на практике. К сожалению, надежды связистов на открытую лазерную связь на Земле не оправдались: дождь, снег, туман делали связь неуверенной, а нередко полностью нарушали ее.
Стало очевидным, что волны света, несущие информацию, нуждаются в защите от атмосферы. Это можно было осуществить с помощью волноводов — тонких, ровных и очень гладких внутри металлических труб.
Но инженеры и экономисты сразу же оценили трудности, связанные с изготовлением абсолютно гладких и ровных волноводов. Волноводы получались дороже золота. Овчинка явно не стоила выделки.
Пришлось искать принципиально новые пути к созданию световодов. Необходимо было добиться того, чтобы световоды изготовлялись не из металла, а из какого-либо дешевого, недефицитного сырья. Потребовались десятилетия, чтобы создать оптические волокна, пригодные для передачи информации с помощью света.
Первое такое волокно изготовили из сверхчистого стекла. Была создана, двухслойная соосная конструкция из сердцевины и оболочки. Сорта стекол подобрали так, что сердцевина обладала большим показателем преломления, чем оболочка.
Почти полное внутреннее отражение в оптической среде
Но как соединить разные стекла, чтобы на границе между сердцевиной и оболочкой не было никаких изъянов? Как добиться гладкости, однородности и при этом максимальной прочности световода?
Усилиями ученых и инженеров желанное оптическое волокно было, наконец, создано. По нему световые сигналы передаются сегодня на сотни и тысячи километров. Но каковы законы распространения световой энергии по неметаллическим (диэлектрическим) направляющим средам?
Моды в световодах
К оптическим волокнам, по которым свет бежит, испытывая акты многократного внутреннего отражения на границе сердцевина-оболочка относятся одномодовые и многомодовые волокна (под «модой» специалисты понимают собственные колебания резонаторной системы.
Моды световода — это собственные его волны, т. е. те, которые захватываются сердцевиной волокна и распространяются по световоду от его начала к концу.
Тип волокна определяется его конструкцией: компонентами, из которых изготовлены сердцевина и оболочка, а также отношением размеров световода к длине используемой волны (последний параметр особенно важен).
В одномодовых волокнах диаметр сердцевины должен быть близок к собственной длине волны. Из множества волн сердцевина волокна захватывает лишь одну собственную, волну. Поэтому волокно (световод) и называют одномодовым.
Если же диаметр сердцевины превосходит длину определенной волны, то световод способен проводить сразу несколько десятков и даже сотен разных волн. Так действуют многомодовые световоды.
Передача информации с помощью света по световодам
В оптическое волокно свет вводится только от пригодного для этого источника. Чаще всего — от лазера. Но в природе нет ничего идеального. Поэтому луч ОКГ, несмотря на присущую ему монохроматичность, все же содержит некоторый спектр частот, или, иными словами, излучает определенный диапазон волн.
Что, кроме лазера, может служить источником света для световодов? Светодиоды повышенной яркости. Однако направленность излучения в них гораздо меньше, чем у лазеров. Поэтому от светодиодов в световод вводится в десятки и сотни раз меньше энергии, чем от ОКГ.
Когда луч лазера направляют в сердцевину световода, каждая волна попадает туда под строго определенным углом. Это значит, что разные собственные волны (моды) за одинаковый отрезок времени проходят в световоде (от его начала к концу) пути разной длины. Это — волновая дисперсия.
А что при этом происходит с сигналами? Проходя в световоде за одинаковый отрезок времени разный путь они могут прийти к концу линии в искаженной форме. У специалистов это явление называется модовой дисперсией.
Сердцевина и оболочка волокна, как. уже говорилось, делаются из стекла с разными показателями преломления. А показатель преломления любого вещества зависит от длины волны света, воздействующего на вещество. Поэтому возникает дисперсия вещества, или иначе — материальная дисперсия.
Волновая, модовая, материальная дисперсия — три фактора, которые отрицательно влияют на передачу световой энергии по оптическим волокнам.
В одномодовых световодах модовая дисперсии отсутствует. Поэтому по таким световодам можно в единицу времени передавать информации в сотни раз больше, чем по многомодовым. А как быть с волновой и материальной дисперсиями?
В одномодовых световодах стараются сделать так, чтобы при определенных условиях волновая и материальная дисперсии компенсировали друг друга. Впоследствии удалось создать такое волокно, где отрицательное воздействие модовой и волновой дисперсий было значительно ослаблено. Как это удалось?
Подобрали график зависимости изменения показателя преломления материала световода при изменении расстояния его от оси (по радиусу) по параболическому закону. По такому световоду свет бежит, не испытывая актов многократного полного отражения на границе сердцевина-оболочка.
Распределительный шкаф связи. Жёлтые кабели являются одномодовыми волокнами, оранжевый и синий кабели представляют собой многомодовые волокна
Траектории света, захваченного световодом, различны. Одни лучи распространяются вдоль оси сердцевины, отклоняясь от нее в ту и другую сторону на одинаковые расстояния («змейка»), другие, лежащие в плоскостях, пересекающих ось световода, образуют множество спиралей. Радиус одних остается постоянным, радиусы других периодически меняются. Такие световоды называются рефракционными, или градиентными.
Очень важно знать; под каким предельным углом свет должен быть направлен на торец любого оптического волокна. От этого зависит, какая часть света попадет в световод и будет проведена от начала до конца оптической линии. Этот угол определяется числовой апертурой световода (или просто — апертурой).
Оптоволоконная связь
ВОЛС
Волоконно-оптические системы связи состоят из трех основных элементов: источника света, волоконно-оптического кабеля и приемника света.
Источник света генерирует световые импульсы определенной длины волны и интенсивности, которые модулируются в соответствии с передаваемыми данными.
Волоконно-оптический кабель состоит из центрального ядра, по которому распространяется свет, и оболочки, которая отражает свет обратно в ядро.
Приемник света преобразует световые импульсы обратно в электрические сигналы, которые декодируются в информацию.
В качестве волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) оптические волокна, сами по себе тонкие и хрупкие, использоваться не могут. Волокна служат сырьем для изготовления волоконно-оптических кабелей (ВОК). Выпускаются ВОК различной конструкции, разных форм и назначений.
По прочности и надежности ВОК не уступают своим металлоемким прототипам и могут прокладываться в тех же средах, что и кабели с металлическими направляющими средами — в воздухе, под землей, по дну рек и морей. ВОК гораздо легче. Важно, что ВОК совершенно нечувствительны к электрическим помехам и магнитным воздействиям. Ведь бороться с такими помехами в металлических кабелях трудно.
Волоконно-оптические кабели первого поколения в 80-х - 90-х годах XX века с успехом заменяли коаксиальные соединительные линии между АТС. Протяженность таких линий не превышала 10 — 15 км, но связисты облегченно вздохнули, когда всю необходимую информацию стало возможным передавать без промежуточных регенераторов.
В каналах связи появился большой запас «жилой площади», и понятие «информационная теснота» потеряло актуальность. Легкий, тонкий и достаточно гибкий ВОК проложили в существующей подземной телефонной канализации без затруднений.
На АТС пришлось добавить несложное оборудование, превращающее оптические сигналы в электрические (на входе от предыдущей станции) и электрические — в оптические (на выходе к последующей станции). Все коммутирующее оборудование, линии абонентов и их телефоны никаким переделкам не подвергались. Все получилось, как говорят, дешево и сердито.
Монтаж оптоволоконного кабля в городе
Монтаж оптоволоконного кабеля на опоре ВЛЭП
По современным линиям оптической связи информация передается не в аналоговой (непрерывной) форме, а в дискретной (цифровой).
Волоконно-оптические линии связи они позволили за последние 30-40 лет осуществить революционные преобразования в технике связи и сравнительно быстро на длительный период покончить с проблемой «информационной тесноты» в каналах передачи информации. Среди всех средств связи и передачи, информации волоконно-оптические линии связи заняли положение лидера и будут доминировать на протяжении XXI века.
Дополнительно: