Optik iletişim sistemleri: amaç, yaratılış tarihi, avantajlar
Elektrik bağlantısı nasıl oldu?
Modern iletişim sistemlerinin prototipleri geçen yüzyılda ortaya çıktı ve telgraf tellerinin sonuna kadar tüm dünyayı dolaştırdı. Üzerlerinden yüz binlerce telgraf iletildi ve kısa süre sonra telgraf yükle baş etmeyi bıraktı. Gönderiler ertelendi ve hala uzun mesafeli telefon ve telsiz iletişimi yoktu.
20. yüzyılın başında elektron tüpü icat edildi. Radyo teknolojisi hızla gelişmeye başladı, elektroniğin temelleri atıldı. İşaretçiler, radyo dalgalarını yalnızca uzayda (hava yoluyla) iletmeyi değil, aynı zamanda bunları teller ve iletişim kabloları aracılığıyla da göndermeyi öğrendiler.
Radyo dalgalarının kullanımı, bilgi iletim sistemlerinin en pahalı ve verimsiz kısmını - doğrusal cihazları - sıkıştırmanın temelini oluşturdu. Hattı frekansta, zamanda sıkıştırarak, bilgiyi özel "paketleme" yöntemleri kullanılarak, günümüzde tek bir hatta birim zamanda onbinlerce farklı mesaj iletmek mümkündür. Bu tür iletişime çok kanallı denir.
Farklı iletişim türleri arasındaki sınırlar bulanıklaşmaya başladı. Birbirlerini uyumlu bir şekilde tamamladılar, telgraf, telefon, radyo ve daha sonra televizyon, radyo rölesi ve daha sonra uydu, uzay iletişimi ortak bir elektrik iletişim sisteminde birleştirildi.
Modern iletişim teknolojileri
İletişim kanallarının bilgi sızdırmazlığı
Bilgi iletim kanallarında 3000 km ila 4 mm uzunluğundaki dalgalar çalışır. Ekipman, bir iletişim kanalı üzerinden saniyede 400 megabit iletebilecek kapasitede çalışmaktadır (400 Mbit/s, saniyede 400 milyon bittir). 1 bit için bu sırayla bir harf alırsak, 400 Mbit, her biri 20 basılı sayfadan oluşan 500 ciltlik bir kitaplık oluşturur).
Mevcut elektriksel iletişim araçları geçen yüzyıldaki prototiplerine benziyor mu? Gösteri atlama uçağıyla hemen hemen aynı. Modern iletişim kanallarındaki ekipmanın tüm mükemmelliğine rağmen, ne yazık ki çok kalabalık: geçen yüzyılın 90'larından çok daha yakın.
ABD, Cincinnati'deki telgraf telleri (20. yüzyılın başları)
Kulaklıkla radyo dinleyen bir kadın, 28 Mart 1923.
Artan bilgi aktarımı ihtiyacı ile günümüzde iletişim kanallarında kullanılan fiziksel süreçlerin temel özellikleri arasında bir çelişki vardır. "Bilgi yoğunluğunu" sulandırmak için, gittikçe kısalan dalgaları fethetmek, yani giderek daha yüksek frekanslara hakim olmak gerekir. Elektromanyetik salınımların doğası öyledir ki, frekansları ne kadar yüksek olursa, iletişim kanalı üzerinden birim zaman başına o kadar fazla bilgi iletilebilir.
Ancak iletişimcilerin yüzleşmek zorunda olduğu daha büyük zorluklarla birlikte: dalganın azalmasıyla, alıcı cihazların dahili (içsel) sesleri keskin bir şekilde artar, jeneratörlerin gücü düşer ve verimlilik önemli ölçüde düşer. vericiler ve tüketilen tüm elektriğin yalnızca küçük bir kısmı yararlı radyo dalgası enerjisine dönüştürülür.
Almanya'daki Nauen radyo istasyonunun 20.000 kilometreden fazla menzile sahip tüp iletim devresinin çıkış transformatörü (Ekim 1930)
İlk UHF radyo iletişimi, 1933'te Vatikan ile Papa XI. Pius'un yazlık konutu arasında kuruldu.
Ultra kısa dalgalar (UHF), yol boyunca enerjilerini feci bir hızla kaybeder. Bu nedenle, mesaj sinyallerinin çok sık yükseltilmesi ve yenilenmesi (geri yüklenmesi) gerekir.Karmaşık ve pahalı ekipmanlara başvurmak zorundayız. Radyo dalgalarının bırakın milimetrelik aralığını, santimetre aralığındaki iletişim, sayısız engelle karşı karşıyadır.
Elektriksel iletişim kanallarının dezavantajları
Hemen hemen tüm modern elektrik iletişimleri çok kanallıdır. 400 Mbit / s'lik bir kanalda iletim yapmak için, radyo dalgalarının desimetre aralığında çalışmanız gerekir. Bu, yalnızca çok karmaşık ekipmanın ve elbette bir veya daha fazla koaksiyel çiftten oluşan özel bir yüksek frekanslı (koaksiyel) kablonun varlığında mümkündür.
Her bir çiftte, dış ve iç iletkenler koaksiyel silindirlerdir. Bu tür iki çift, aynı anda 3.600 telefon görüşmesi veya birkaç TV programı iletebilir. Ancak bu durumda, sinyaller her 1,5 km'de bir yükseltilmeli ve yenilenmelidir.
1920'lerde şık bir işaretçi
İletişim kanallarına kablo hatları hakimdir. Dış etkilerden, elektrik ve manyetik bozulmalardan korunurlar. Kablolar kullanımda dayanıklı ve güvenilirdir, farklı ortamlarda döşenmeye uygundur.
Bununla birlikte, kabloların ve iletişim tellerinin üretimi, rezervleri hızla azalan demir dışı metallerin dünyadaki üretiminin yarısından fazlasını alıyor.
Metal daha pahalı hale geliyor. Ve kablo üretimi, özellikle koaksiyel olanlar, karmaşık ve son derece enerji yoğun bir iştir. Ve onlara olan ihtiyaç artıyor. Bu nedenle, iletişim hatlarının inşası ve işletilmesi için maliyetlerin ne olduğunu hayal etmek zor değil.
New York'ta bir kablo hattının döşenmesi, 1888.
İletişim ağı, insanın Dünya üzerinde yarattığı en gösterişli ve pahalı yapıdır. XX yüzyılın 50'lerinde telekomünikasyonun ekonomik fizibilite eşiğine yaklaştığı netleştiyse, nasıl daha da geliştirilebilir?
Kıtalararası Telefon Hattının Tamamlanması, Wendover, Utah, 1914.
İletişim kanallarındaki bilgi yoğunluğunu ortadan kaldırmak için elektromanyetik salınımların optik aralıklarının nasıl kullanılacağını öğrenmek gerekiyordu. Sonuçta, ışık dalgaları VHF'den milyonlarca kat daha fazla titreşime sahiptir.
Optik bir iletişim kanalı yaratılsaydı, aynı anda birkaç bin televizyon programı ve daha birçok telefon görüşmesi ve radyo yayını iletilebilirdi.
Görev göz korkutucu görünüyordu. Ancak çözümüne giden yolda, bilim adamlarının ve işaretçilerin önünde bir tür sorunlar labirenti belirdi. XX yüzyıllarda kimse bunun üstesinden nasıl geleceğini bilmiyordu.
"Sovyet Televizyonu ve Radyosu" - "Sokolniki" parkındaki sergi, Moskova, 5 Ağustos 1959.
lazerler
1960 yılında inanılmaz bir ışık kaynağı yaratıldı - bir lazer veya optik kuantum üreteci (LQG). Bu cihazın benzersiz özellikleri var.
Kısa bir makalede çeşitli lazerlerin çalışma prensibini ve cihazını anlatmak imkansızdır. Web sitemizde lazerlerle ilgili ayrıntılı bir makale zaten vardı: Lazerlerin cihazı ve çalışma prensibi... Burada kendimizi lazerin yalnızca iletişim çalışanlarının dikkatini çeken özelliklerini sıralamakla sınırlıyoruz.
Ted Mayman, ilk çalışan lazerin eğitmeni, 1960.
Her şeyden önce, radyasyonun tutarlılığını belirtelim. Lazer ışığı neredeyse tek renklidir (tek renk) ve uzay sürelerinde en mükemmel ışıldak ışığından daha az sapar. Lazerin iğne ışınında yoğunlaşan enerji çok yüksektir. İletişim çalışanlarını lazeri optik iletişim için kullanmaya sevk eden, bunlar ve lazerin diğer bazı özellikleriydi.
İlk taslaklar aşağıdaki gibi özetlenmiştir. Bir lazeri jeneratör olarak kullanır ve ışınını bir mesaj sinyaliyle modüle ederseniz, bir optik verici elde edersiniz. Işını ışık alıcısına yönlendirerek, bir optik iletişim kanalı elde ederiz. Tel yok, kablo yok. İletişim uzay yoluyla olacaktır (açık lazer iletişimi).
Bir bilim laboratuvarında lazerlerle deneyim
Laboratuvar deneyleri, iletişim işçilerinin hipotezini zekice doğruladı. Ve çok geçmeden bu ilişkiyi pratikte test etme fırsatı doğdu.Ne yazık ki, işaretçilerin Dünya'da açık lazer iletişimi umutları gerçekleşmedi: yağmur, kar, sis iletişimi belirsiz hale getirdi ve genellikle tamamen kesti.
Bilgi taşıyan ışık dalgalarının atmosfer tarafından korunması gerektiği ortaya çıktı. Bu, dalga kılavuzları yardımıyla yapılabilir - içindeki ince, düzgün ve çok pürüzsüz metal borular.
Ancak mühendisler ve ekonomistler, tamamen düzgün ve düzgün dalga kılavuzları yapmanın içerdiği zorlukları hemen fark ettiler. Dalga kılavuzları altından daha pahalıydı. Görünüşe göre oyun muma değmezdi.
Dünya rehberleri yaratmanın temelde yeni yollarını aramaları gerekiyordu. Işık kılavuzlarının metalden değil, ucuz, kıt olmayan bir ham maddeden yapılması sağlanmalıydı. Işık kullanarak bilgi iletmeye uygun optik fiberler geliştirmek on yıllar aldı.
Bu tür ilk fiber, ultra saf camdan yapılmıştır. İki katmanlı bir koaksiyel çekirdek ve kabuk yapısı oluşturuldu. Cam türleri, çekirdeğin kaplamadan daha yüksek bir kırılma indisine sahip olacağı şekilde seçilmiştir.
Optik ortamda neredeyse tam iç yansıma
Ancak, çekirdek ile kabuk arasındaki sınırda kusur olmaması için farklı camlar nasıl bağlanır? Pürüzsüzlük, homojenlik ve aynı zamanda maksimum elyaf mukavemeti nasıl elde edilir?
Bilim adamlarının ve mühendislerin çabalarıyla, istenen optik fiber nihayet yaratıldı. Bugün, ışık sinyalleri onun üzerinden yüzlerce ve binlerce kilometre boyunca iletilmektedir. Fakat metalik olmayan (dielektrik) iletken ortamlarda ışık enerjisinin yayılma yasaları nelerdir?
Fiber modları
Tek modlu ve çok modlu fiberler, ışığın içinden geçtiği ve çekirdek kaplama arayüzünde tekrarlanan iç yansıma eylemlerine maruz kalan optik fiberlere aittir (uzmanlar, "mod" ile rezonatör sisteminin doğal salınımlarını kasteder).
Fiberin modları kendi dalgalarıdır, yani lifin çekirdeği tarafından yakalanan ve başından sonuna kadar lif boyunca yayılanlar.
Elyaf tipi tasarımı ile belirlenir: çekirdek ve kaplamanın yapıldığı bileşenler ve ayrıca elyaf boyutlarının kullanılan dalga boyuna oranı (son parametre özellikle önemlidir).
Tek modlu fiberlerde çekirdek çapı doğal dalga boyuna yakın olmalıdır. Birçok dalga arasından, fiberin çekirdeği kendi dalgalarından yalnızca birini yakalar. Bu nedenle, fiber (ışık kılavuzu) tek mod olarak adlandırılır.
Çekirdeğin çapı belirli bir dalganın uzunluğunu aşarsa, fiber aynı anda onlarca hatta yüzlerce farklı dalgayı iletebilir. Çok modlu fiber bu şekilde çalışır.
Bilginin optik fiberler aracılığıyla ışıkla iletilmesi
Işık, optik fibere yalnızca uygun bir kaynaktan enjekte edilir. Çoğu zaman - bir lazerden. Ama hiçbir şey doğası gereği mükemmel değildir. Bu nedenle, lazer ışını, doğal monokromatikliğine rağmen, yine de belirli bir frekans spektrumu içerir veya başka bir deyişle, belirli bir dalga boyu aralığı yayar.
Optik fiberler için lazerden başka ne ışık kaynağı olabilir? Yüksek parlaklıkta LED'ler. Bununla birlikte, içlerindeki radyasyonun yönlülüğü, lazerlerinkinden çok daha küçüktür.Bu nedenle, yanan diyotlar tarafından fibere lazerden onlarca ve yüzlerce kat daha az enerji verilir.
Bir lazer ışını fiberin çekirdeğine yönlendirildiğinde, her dalga kesin olarak tanımlanmış bir açıyla fibere çarpar. Bu, aynı zaman aralığı için farklı öz dalgaların (modların) farklı uzunluklardaki fiber yollardan (başından sonuna kadar) geçtiği anlamına gelir. Bu dalga dağılımıdır.
Ve sinyallere ne olur? Aynı zaman aralığında fiberde farklı bir yoldan geçerek çizginin sonuna bozuk bir biçimde ulaşabilirler.Uzmanlar bu olguya mod dağılımı diyorlar.
Elyafın çekirdeği ve kılıfı gibidir. Daha önce de belirtildiği gibi, farklı kırılma indislerine sahip camdan yapılmıştır. Ve herhangi bir maddenin kırılma indisi, maddeyi etkileyen ışığın dalga boyuna bağlıdır. Dolayısıyla maddenin dağılması yani maddesel dağılması vardır.
Dalga boyu, mod, malzeme dağılımı, ışık enerjisinin optik fiberlerden geçişini olumsuz etkileyen üç faktördür.
Tek modlu fiberlerde mod dağılımı yoktur. Bu nedenle, bu tür fiberler, çok modlu fiberlere göre birim zamanda yüzlerce kat daha fazla bilgi iletebilir. Peki ya dalgaların ve malzemelerin dağılımları?
Tek modlu fiberlerde, belirli koşullar altında dalga ve malzeme dağılımlarının birbirini dengelemesi sağlanmaya çalışılır. Daha sonra, mod ve dalga dağılımının olumsuz etkisinin önemli ölçüde zayıflatıldığı böyle bir fiber oluşturmak mümkün oldu. Nasıl başardın?
Parabolik yasaya göre, lif malzemesinin kırılma indisindeki değişimin eksenden (yarıçap boyunca) mesafesindeki bir değişiklikle bağımlılığının grafiğini seçtik. Işık, çekirdek kaplama arayüzünde birden fazla toplam yansıma eylemi yaşamadan böyle bir fiber boyunca hareket eder.
Haberleşme dağıtım kabini. Sarı kablolar tek modlu fiberlerdir, turuncu ve mavi kablolar çok modlu fiberlerdir
Optik fiber tarafından yakalanan ışığın yolları farklıdır. Bazı ışınlar, çekirdeğin ekseni boyunca yayılır, ondan eşit mesafelerde ("yılan") bir yönde veya başka bir yönde sapar, diğerleri ise lifin eksenini geçen düzlemlerde uzanan bir dizi spiral oluşturur. Bazılarının yarıçapı sabit kalır, diğerlerinin yarıçapları periyodik olarak değişir. Bu tür liflere kırılma veya gradyan denir.
Bilmek çok önemlidir; ışığın her bir optik fiberin ucuna hangi sınırlayıcı açıyla yönlendirilmesi gerektiği. Bu, fibere ne kadar ışık gireceğini ve optik hattın başından sonuna kadar iletileceğini belirler. Bu açı, fiberin sayısal açıklığı (veya basitçe - açıklık) tarafından belirlenir.
optik iletişim
ODAK
Optik iletişim hatları (FOCL) olarak, kendileri ince ve kırılgan olan optik fiberler kullanılamaz. Fiberler, fiber optik kabloların (FOC) üretimi için hammadde olarak kullanılır. FOC'ler çeşitli tasarımlarda, şekillerde ve amaçlarla üretilir.
Güç ve güvenilirlik açısından, FOC'ler metal yoğun prototiplerinden daha aşağı değildir ve havada, yer altında, nehirlerin ve denizlerin dibinde metalik iletkenli kablolarla aynı ortamlarda döşenebilir. WOK çok daha kolay.Daha da önemlisi, FOC'ler elektriksel bozulmalara ve manyetik etkilere karşı tamamen duyarsızdır. Sonuçta, metal kablolarda bu tür parazitlerle uğraşmak zordur.
1980'lerde ve 1990'larda birinci nesil optik kablolar, otomatik telefon santralleri arasındaki koaksiyel otoyolların yerini başarıyla aldı. Bu hatların uzunluğu 10-15 km'yi geçmedi, ancak gerekli tüm bilgileri ara rejeneratörler olmadan iletmek mümkün olunca işaretçiler rahat bir nefes aldı.
İletişim kanallarında büyük bir "yaşam alanı" arzı ortaya çıktı ve "bilgi sıkılığı" kavramı alaka düzeyini yitirdi. Yeterince hafif, ince ve esnek olan FOC, mevcut yeraltı telefonuna sorunsuz bir şekilde yerleştirildi.
Otomatik telefon santrali ile, optik sinyalleri elektriğe (önceki istasyonun girişinde) ve elektriği optiğe (bir sonraki istasyonun çıkışında) dönüştüren basit ekipmanların eklenmesi gerekliydi. Tüm santral ekipmanları, abone hatları ve telefonlarında herhangi bir değişiklik yapılmamıştır. Her şey dedikleri gibi ucuz ve neşeli çıktı.
Şehir içi fiber optik kablo montajı
Havai iletim hattı desteğine optik kablo montajı
Modern optik iletişim hatları aracılığıyla bilgi analog (sürekli) biçimde değil, ayrık (sayısal) biçimde iletilir.
Optik iletişim hatları, son 30-40 yılda iletişim teknolojilerinde devrim niteliğinde dönüşümler gerçekleştirmeye ve bilgi aktarım kanallarındaki "bilgi sıkılığı" sorununa uzun bir süre nispeten hızlı bir şekilde son vermeye izin verdiler.Tüm iletişim ve iletim araçları arasında bilgi, optik iletişim hatları lider konumdadır ve XXI yüzyıl boyunca hakim olacaktır.
Bunlara ek olarak:
Optik fiberler üzerindeki bilgilerin dönüştürülmesi ve iletilmesi ilkesi