Hệ thống thông tin quang: mục đích, lịch sử sáng tạo, lợi thế
Làm thế nào mà kết nối điện xảy ra?
Các nguyên mẫu của hệ thống thông tin liên lạc hiện đại đã xuất hiện vào thế kỷ trước và đến cuối cùng, dây điện báo của chúng đã làm rối tung cả thế giới. Hàng trăm nghìn bức điện tín đã được truyền qua chúng, và chẳng mấy chốc, điện báo không còn chịu được tải. Công văn bị trì hoãn và vẫn không có điện thoại đường dài và liên lạc vô tuyến.
Vào đầu thế kỷ 20, ống điện tử được phát minh. Công nghệ vô tuyến bắt đầu phát triển nhanh chóng, nền tảng của thiết bị điện tử đã được đặt ra. Những người báo hiệu đã học cách truyền sóng vô tuyến không chỉ trong không gian (qua không khí), mà còn gửi chúng qua dây và qua cáp thông tin liên lạc.
Việc sử dụng sóng vô tuyến làm cơ sở để thu gọn phần đắt tiền và kém hiệu quả nhất của hệ thống truyền thông tin - thiết bị tuyến tính. Bằng cách nén dòng theo tần số, theo thời gian, sử dụng các phương pháp "đóng gói" thông tin đặc biệt, ngày nay có thể truyền hàng chục nghìn thông điệp khác nhau trên một dòng trên một đơn vị thời gian. Giao tiếp như vậy được gọi là đa kênh.
Ranh giới giữa các loại giao tiếp khác nhau bắt đầu mờ đi. Chúng bổ sung cho nhau một cách hài hòa, điện báo, điện thoại, đài phát thanh và sau này là truyền hình, rơle vô tuyến và sau này là vệ tinh, thông tin liên lạc trong không gian được thống nhất trong một hệ thống thông tin liên lạc điện chung.
Công nghệ truyền thông hiện đại
Độ kín thông tin của các kênh truyền thông
Sóng có chiều dài từ 3000 km đến 4 mm hoạt động trong các kênh truyền thông tin. Thiết bị đang hoạt động có khả năng truyền 400 megabit/giây qua kênh liên lạc (400 Mbit/s là 400 triệu bit/giây). Nếu chúng ta lấy một chữ cái theo thứ tự này cho 1 bit, thì 400 Mbit sẽ tạo thành một thư viện gồm 500 tập, mỗi tập có 20 tờ in).
Các phương tiện truyền thông điện hiện tại có giống với nguyên mẫu của chúng từ thế kỷ trước không? Khá giống với một chiếc máy bay nhảy biểu diễn. Bất chấp tất cả sự hoàn hảo của thiết bị trong các kênh truyền thông hiện đại, than ôi, nó quá đông đúc: gần hơn nhiều so với những năm 90 của thế kỷ trước.
Dây điện báo ở Cincinnati, Mỹ (đầu thế kỷ 20)
Một người phụ nữ nghe đài qua tai nghe, ngày 28 tháng 3 năm 1923.
Có một sự mâu thuẫn giữa nhu cầu truyền thông tin ngày càng tăng và các thuộc tính cơ bản của các quá trình vật lý hiện đang được sử dụng trong các kênh truyền thông. Để làm loãng “mật độ thông tin”, cần chinh phục các sóng ngày càng ngắn hơn, tức là làm chủ các tần số ngày càng cao. Bản chất của các dao động điện từ là tần số của chúng càng cao thì càng có nhiều thông tin trên mỗi đơn vị thời gian được truyền qua kênh liên lạc.
Nhưng với tất cả những khó khăn lớn hơn mà những người giao tiếp phải đối mặt: khi sóng giảm, tiếng ồn bên trong (nội tại) của thiết bị thu tăng mạnh, công suất của máy phát giảm và hiệu suất giảm đáng kể. máy phát, và trong tất cả điện năng tiêu thụ, chỉ một phần nhỏ được chuyển thành năng lượng sóng vô tuyến hữu ích.
Biến áp đầu ra của mạch truyền hình ống của đài phát thanh Nauen ở Đức với tầm xa hơn 20.000 km (10/1930)
Liên lạc vô tuyến UHF đầu tiên được thiết lập giữa Vatican và dinh thự mùa hè của Giáo hoàng Pius XI, 1933.
Sóng siêu ngắn (UHF) mất năng lượng một cách thảm khốc trên đường đi. Do đó, các tín hiệu tin nhắn phải được khuếch đại và tái tạo (khôi phục) quá thường xuyên, chúng ta phải dùng đến các thiết bị phức tạp và đắt tiền. Giao tiếp trong phạm vi centimet của sóng vô tuyến, chứ chưa nói đến phạm vi milimet, phải đối mặt với vô số trở ngại.
Nhược điểm của các kênh truyền thông điện
Hầu như tất cả các thông tin liên lạc điện hiện đại là đa kênh. Để truyền trên kênh 400 Mbit / s, bạn cần làm việc trong phạm vi sóng vô tuyến demimeter. Điều này chỉ có thể thực hiện được khi có thiết bị rất phức tạp và dĩ nhiên là cáp tần số cao (đồng trục) đặc biệt, bao gồm một hoặc nhiều cặp cáp đồng trục.
Trong mỗi cặp, các dây dẫn bên ngoài và bên trong là các hình trụ đồng trục. Hai cặp như vậy có thể truyền đồng thời 3.600 cuộc gọi điện thoại hoặc một số chương trình TV. Tuy nhiên, trong trường hợp này, các tín hiệu phải được khuếch đại và tái tạo sau mỗi 1,5 km.
Một tín hiệu phong cách trong những năm 1920
Các kênh truyền thông bị chi phối bởi các tuyến cáp. Chúng được bảo vệ khỏi các tác động bên ngoài, nhiễu loạn điện và từ. Các loại cáp bền và đáng tin cậy trong hoạt động, chúng thuận tiện cho việc đặt trong các môi trường khác nhau.
Tuy nhiên, việc sản xuất dây cáp và dây thông tin liên lạc chiếm hơn một nửa sản lượng kim loại màu của thế giới, mà trữ lượng của chúng đang cạn kiệt nhanh chóng.
Kim loại đang trở nên đắt hơn. Và việc sản xuất cáp, đặc biệt là cáp đồng trục, là một công việc phức tạp và cực kỳ tốn năng lượng. Và nhu cầu về chúng ngày càng tăng. Do đó, không khó để hình dung chi phí cho việc xây dựng các đường dây liên lạc và vận hành chúng là bao nhiêu.
Lắp đặt đường dây cáp ở New York, 1888.
Mạng truyền thông là cấu trúc ngoạn mục và tốn kém nhất mà con người từng tạo ra trên Trái đất. Làm thế nào để phát triển nó hơn nữa, nếu vào những năm 50 của thế kỷ XX, rõ ràng là viễn thông đã đạt đến ngưỡng khả thi về mặt kinh tế?
Hoàn thành Đường dây điện thoại xuyên lục địa, Wendover, Utah, 1914.
Để loại bỏ "mật độ thông tin trong các kênh liên lạc, cần phải học cách sử dụng phạm vi quang học của dao động điện từ. Rốt cuộc, sóng ánh sáng có rung động gấp hàng triệu lần so với VHF.
Nếu một kênh liên lạc quang học được tạo ra, thì có thể truyền đồng thời vài nghìn chương trình truyền hình và nhiều cuộc gọi điện thoại và chương trình phát thanh khác.
Nhiệm vụ có vẻ khó khăn. Nhưng trên đường đi đến giải pháp của nó, một loạt vấn đề nảy sinh trước mắt các nhà khoa học và tín hiệu. Thế kỷ XX không ai biết cách vượt qua nó.
"Truyền hình và Đài phát thanh Liên Xô" — triển lãm ở công viên "Sokolniki", Moscow, ngày 5 tháng 8 năm 1959.
laze
Năm 1960, một nguồn sáng tuyệt vời đã được tạo ra - máy phát lượng tử laser hoặc quang học (LQG). Thiết bị này có các thuộc tính độc đáo.
Không thể nói về nguyên tắc hoạt động và thiết bị của các loại laser khác nhau trong một bài viết ngắn. Đã có một bài viết chi tiết về laser trên trang web của chúng tôi: Thiết bị và nguyên lý hoạt động của tia laser… Ở đây, chúng tôi giới hạn bản thân trong việc chỉ liệt kê những đặc điểm của tia laser đã thu hút sự chú ý của những người làm công tác truyền thông.
Ted Mayman, người hướng dẫn ngược lại tia laser hoạt động đầu tiên, 1960.
Trước hết hãy nêu tính kết hợp của các bức xạ. Ánh sáng laser gần như đơn sắc (một màu) và phân kỳ trong không gian nhỏ hơn ánh sáng của đèn rọi hoàn hảo nhất. Năng lượng tập trung trong chùm kim của tia laze rất cao. Chính những tính chất này và một số tính chất khác của tia laser đã thúc đẩy các nhân viên truyền thông sử dụng tia laser để liên lạc quang học.
Các bản thảo đầu tiên được tóm tắt như sau. Nếu bạn sử dụng tia laze làm máy phát và điều chỉnh chùm tia của nó bằng tín hiệu tin nhắn, bạn sẽ có được một máy phát quang. Hướng chùm tia đến bộ thu ánh sáng, chúng ta có được một kênh liên lạc quang học. Không có dây, không có cáp. Giao tiếp sẽ thông qua không gian (giao tiếp laser mở).
Trải nghiệm với laser trong phòng thí nghiệm khoa học
Các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm đã khẳng định một cách xuất sắc giả thuyết của những người làm công tác truyền thông. Và chẳng mấy chốc đã có cơ hội để kiểm tra mối quan hệ này trong thực tế.Thật không may, hy vọng của những người báo hiệu về giao tiếp bằng laser mở trên Trái đất đã không thành hiện thực: mưa, tuyết, sương mù khiến việc liên lạc trở nên không chắc chắn và thường bị cắt đứt hoàn toàn.
Rõ ràng là sóng ánh sáng mang thông tin phải được che chắn bởi bầu khí quyển. Điều này có thể được thực hiện với sự trợ giúp của ống dẫn sóng - bên trong là các ống kim loại mỏng, đều và rất nhẵn.
Nhưng các kỹ sư và nhà kinh tế ngay lập tức nhận ra những khó khăn liên quan đến việc tạo ra các ống dẫn sóng hoàn toàn trơn tru và đồng đều. Ống dẫn sóng đắt hơn vàng. Rõ ràng trò chơi không đáng giá.
Họ phải tìm kiếm những cách mới về cơ bản để tạo ra các hướng dẫn thế giới. Phải đảm bảo rằng các thanh dẫn sáng không được làm bằng kim loại mà bằng một số nguyên liệu thô rẻ tiền, không khan hiếm. Phải mất nhiều thập kỷ để phát triển các sợi quang phù hợp để truyền thông tin bằng ánh sáng.
Sợi đầu tiên như vậy được làm bằng thủy tinh siêu tinh khiết. Một cấu trúc vỏ và lõi đồng trục hai lớp đã được tạo ra. Các loại thủy tinh được chọn sao cho lõi có chỉ số khúc xạ cao hơn lớp vỏ.
Phản xạ gần như toàn phần trong môi trường quang học
Nhưng làm thế nào để kết nối các loại kính khác nhau để không có khuyết tật ở ranh giới giữa lõi và vỏ? Làm thế nào để đạt được độ mịn, đồng nhất và đồng thời độ bền sợi tối đa?
Thông qua nỗ lực của các nhà khoa học và kỹ sư, sợi quang mong muốn cuối cùng đã được tạo ra. Ngày nay, tín hiệu ánh sáng được truyền đi hàng trăm, hàng nghìn km thông qua nó. Nhưng quy luật truyền năng lượng ánh sáng trên môi trường dẫn phi kim loại (điện môi) là gì?
chế độ sợi
Sợi đơn mode và đa mode thuộc về sợi quang mà ánh sáng truyền qua, trải qua các hành vi phản xạ bên trong lặp đi lặp lại ở giao diện lớp vỏ lõi (các chuyên gia có nghĩa là các dao động tự nhiên của hệ thống cộng hưởng theo "chế độ").
Các chế độ của sợi là sóng riêng của nó, tức là những thứ được lõi của sợi quang bắt giữ và lan truyền dọc theo sợi quang từ đầu đến cuối sợi quang.
Loại sợi được xác định bởi thiết kế của nó: các thành phần tạo ra lõi và lớp bọc, cũng như tỷ lệ kích thước của sợi với bước sóng được sử dụng (tham số cuối cùng đặc biệt quan trọng).
Trong sợi đơn mode, đường kính lõi phải gần bằng bước sóng tự nhiên. Trong số nhiều sóng, lõi của sợi quang chỉ bắt được một sóng của chính nó. Do đó, sợi quang (dẫn sáng) được gọi là chế độ đơn.
Nếu đường kính của lõi vượt quá độ dài của một sóng nhất định, thì sợi quang có thể dẫn vài chục hoặc thậm chí hàng trăm sóng khác nhau cùng một lúc. Đây là cách sợi quang đa mode hoạt động.
Truyền thông tin bằng ánh sáng qua sợi quang
Ánh sáng chỉ được truyền vào sợi quang từ một nguồn thích hợp. Thông thường nhất - từ tia laser. Nhưng không có gì là hoàn hảo tự nhiên. Do đó, chùm tia laser, mặc dù có tính đơn sắc vốn có, nhưng vẫn chứa một phổ tần số nhất định, hay nói cách khác, phát ra một dải bước sóng nhất định.
Điều gì ngoài tia laser có thể dùng làm nguồn sáng cho sợi quang? Đèn LED độ sáng cao. Tuy nhiên, định hướng của bức xạ trong chúng nhỏ hơn nhiều so với laser.Do đó, năng lượng được đưa vào sợi quang bởi các điốt đơn lẻ ít hơn hàng chục và hàng trăm lần so với laser.
Khi một chùm tia laze hướng vào lõi của sợi quang, mỗi sóng sẽ chiếu vào nó theo một góc được xác định nghiêm ngặt. Điều này có nghĩa là các sóng riêng (chế độ) khác nhau trong cùng một khoảng thời gian đi qua các đường dẫn của sợi quang (từ điểm đầu đến điểm cuối) có độ dài khác nhau. Đây là sự phân tán sóng.
Và điều gì xảy ra với các tín hiệu? Đi qua một đường khác trong sợi trong cùng một khoảng thời gian, chúng có thể đi đến cuối đường ở dạng méo mó, Các chuyên gia gọi hiện tượng này là tán sắc chế độ.
Lõi và vỏ của sợi như thế nào. đã đề cập, chúng được làm bằng thủy tinh với các chiết suất khác nhau. Và chiết suất của bất kỳ chất nào phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng tác động đến chất đó. Do đó, có sự phân tán vật chất, hay nói cách khác là sự phân tán vật chất.
Bước sóng, mode, tán sắc vật chất là ba yếu tố ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình truyền năng lượng ánh sáng qua sợi quang.
Không có tán sắc mode trong sợi đơn mode. Do đó, những sợi như vậy có thể truyền thông tin gấp hàng trăm lần trên một đơn vị thời gian so với sợi đa mode. Điều gì về sự phân tán của sóng và vật liệu?
Trong sợi quang đơn mode, người ta cố gắng đảm bảo rằng, trong những điều kiện nhất định, sự phân tán sóng và vật chất sẽ triệt tiêu lẫn nhau. Sau đó, có thể tạo ra một sợi như vậy, trong đó tác động tiêu cực của chế độ và sự phân tán sóng bị suy yếu đáng kể. Làm thế nào bạn quản lý nó?
Chúng tôi đã chọn biểu đồ về sự phụ thuộc của sự thay đổi chiết suất của vật liệu sợi với sự thay đổi khoảng cách của nó với trục (dọc theo bán kính) theo định luật parabol. Ánh sáng truyền dọc theo một sợi quang như vậy mà không gặp phải nhiều tác động phản xạ toàn phần ở giao diện lớp vỏ lõi.
Tủ phân phối truyền thông. Cáp màu vàng là sợi quang đơn mode, cáp màu cam và xanh lam là sợi quang đa mode
Các đường đi của ánh sáng được thu bởi sợi quang là khác nhau. Một số tia lan dọc theo trục của lõi, lệch khỏi nó theo hướng này hay hướng khác ở những khoảng cách bằng nhau ("con rắn"), những tia khác nằm trong các mặt phẳng cắt ngang trục của sợi tạo thành một tập hợp các đường xoắn ốc. Bán kính của một số không đổi, bán kính của một số khác thay đổi định kỳ. Những sợi như vậy được gọi là khúc xạ hoặc gradient.
Điều rất quan trọng là phải biết; ánh sáng phải hướng tới điểm cuối của mỗi sợi quang ở một góc giới hạn nào. Điều này xác định lượng ánh sáng sẽ đi vào sợi quang và được dẫn từ đầu đến cuối của đường quang. Góc này được xác định bởi khẩu độ số của sợi quang (hoặc đơn giản là - khẩu độ).
truyền thông quang học
FOCL
Vì các đường truyền thông quang (FOCL), các sợi quang, bản thân chúng mỏng và dễ gãy, không thể được sử dụng. Sợi được sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất cáp quang (FOC). FOC được sản xuất với nhiều kiểu dáng, hình dạng và mục đích khác nhau.
Xét về độ bền và độ tin cậy, FOC không thua kém các nguyên mẫu sử dụng nhiều kim loại và có thể được đặt trong cùng môi trường với cáp có dây dẫn kim loại — trên không, dưới lòng đất, dưới đáy sông và biển. WOK dễ dàng hơn nhiều.Điều quan trọng là FOC hoàn toàn không nhạy cảm với nhiễu điện và ảnh hưởng từ trường. Rốt cuộc, rất khó để đối phó với sự can thiệp như vậy trong cáp kim loại.
Cáp quang thế hệ đầu tiên vào những năm 1980 và 1990 đã thay thế thành công đường cao tốc đồng trục giữa các tổng đài điện thoại tự động. Chiều dài của những đường dây này không vượt quá 10-15 km, nhưng những người báo hiệu đã thở phào nhẹ nhõm khi có thể truyền tất cả thông tin cần thiết mà không cần bộ tái tạo trung gian.
Một nguồn cung cấp lớn "không gian sống" xuất hiện trong các kênh truyền thông và khái niệm "sự chặt chẽ về thông tin" đã mất đi sự liên quan. Đủ nhẹ, mỏng và linh hoạt, FOC được đặt dễ dàng trong điện thoại ngầm hiện có.
Với tổng đài điện thoại tự động, cần bổ sung thiết bị đơn giản chuyển đổi tín hiệu quang thành điện (ở đầu vào của trạm trước) và điện thành quang (ở đầu ra của trạm tiếp theo). Tất cả các thiết bị chuyển mạch, đường dây thuê bao và điện thoại của họ không trải qua bất kỳ thay đổi nào. Mọi thứ hóa ra, như họ nói, rẻ và vui vẻ.
Lắp đặt cáp quang tại TP.
Lắp đặt cáp quang trên giá đỡ đường dây tải điện trên không
Thông qua các đường truyền thông quang học hiện đại, thông tin được truyền đi không phải ở dạng tương tự (liên tục) mà ở dạng rời rạc (kỹ thuật số).
Trong 30-40 năm qua, các đường dây thông tin quang học đã cho phép thực hiện những biến đổi mang tính cách mạng trong công nghệ thông tin liên lạc và tương đối nhanh chóng trong một thời gian dài để chấm dứt vấn đề "thắt chặt thông tin" trong các kênh truyền thông tin.Trong số tất cả các phương tiện liên lạc và truyền dẫn, thông tin, đường dây thông tin quang chiếm vị trí hàng đầu và sẽ thống trị trong suốt thế kỷ XXI.
Ngoài ra: