|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ІСТОРІЯ ТЕХНІКИ, ТЕХНОЛОГІЇ, ПРЕДМЕТІВ НАВКОЛО НАС
Волоконно-оптична лінія зв'язку. Історія винаходу та виробництва
Довідник / Історія техніки, технології, предметів довкола нас Волоконно-оптична лінія зв'язку (передачі) – волоконно-оптична система, що складається з пасивних та активних елементів, призначена для передачі інформації в оптичному (як правило – ближньому інфрачервоному) діапазоні.
У XX столітті людство було свідком величезного стрибка у розвитку різних видів зв'язку, особливо телефонії, радіо та телебачення. Завдяки їм, а також завдяки появі супутникової космічної системи зв'язку сучасна людина отримала недоступну колишнім поколінням можливість зв'язуватися з найдальшими та найглухішими куточками планети, бачити, чути та знати про все, що відбувається у світі. Однак за всіх переваг традиційних видів зв'язку кожному з них властивий і цілий ряд недоліків, які стають все більш чутливими в міру наростання обсягів інформації, що передається. Незважаючи на новітні технології, що дозволяють значно ущільнити інформацію, що передається по кабелю, магістральні телефонні лінії все одно часто виявляються перевантаженими. Приблизно те саме можна сказати про радіо та телебачення, в яких інформаційні сигнали переносяться за допомогою електромагнітних хвиль: дедалі більша кількість телеканалів і радіостанцій, мовних та службових, призвела до виникнення взаємних перешкод, до ситуації, що отримала назву "тісноти в ефірі". Це стало одним із поштовхів до освоєння все більш короткохвильових діапазонів радіохвиль. Відомо: чим коротше використовуються для мовлення хвилі, тим більше радіостанцій без взаємних перешкод може розміститися в даному діапазоні (це легко бачити, обертаючи налаштування радіо: якщо на довгих хвилях ми можемо зловити всього кілька радіостанцій, то на коротких і ультракоротких хвилях таких радіостанцій вже десятки і сотні, вони у буквальному значенні слова "сидять на кожному міліметрі"). Інший недолік традиційних видів зв'язку у тому, що передачі інформації взагалі невигідно користуватися хвилями, випромінюваними у вільний простір. Адже енергія, яка припадає на якусь певну площу фронту такої хвилі, зменшується зі збільшенням фронту хвилі. Для сферичної хвилі (тобто такої, яка поширюється рівномірно на всі боки від джерела) ослаблення обернено пропорційно квадрату відстані від джерела хвилі до приймача. В результаті, в сучасній радіотехніці витрачаються величезні кошти на виділення та посилення корисного сигналу. Зовсім інша картина була б у тому випадку, якби інформація надсилалася вузьким спрямованим пучком чи променем. Втрати при цьому були б набагато меншими. Перелічені недоліки змушують припустити, що людство перебуває на порозі важливої революції в системі зв'язку, яка призведе до того, що в ХХІ столітті основним її виглядом стане оптоелектроніка, яка не має всіх цих недоліків. Очікується, що вже в перші десятиліття наступного століття все нові телефонні, телевізійні та обчислювальні системи з'єднуватимуться волоконно-оптичними кабелями з використанням носія інформації лазерного випромінювання. Епоха сучасного оптичного зв'язку почалася в 1960 році після створення першого лазера. Винахід лазерів взагалі породив надію на швидке та легке подолання проблем "ефірної тісноти". Справді, використання мікронних хвиль видимого світла для потреб зв'язку замість сантиметрових і міліметрових радіохвиль створювало можливість майже безмежно розширити обсяги інформації, що передається. Наприклад, система зв'язку на гелій-неоновому лазері має смугу пропускання, в якій можна одночасно розмістити близько мільйона телевізійних каналів. Проте вже перші досліди розвіяли райдужні ілюзії. З'ясувалося, що земна атмосфера дуже активно поглинає та розсіює оптичне випромінювання і що лазери (у тому випадку, якщо промінь поширюється безпосередньо через повітря) можуть використовуватися для потреб зв'язку лише на дуже невеликій відстані (у середньому – не більше ніж в 1 км). подолати цю скруту успіху не мали. Так були справи, коли в 1966 році двоє японських учених Као і Хокема запропонували використовувати для передачі світлового сигналу довгі скляні волокна, подібні до тих, які вже використовувалися в ендоскопії та інших областях. Їхня стаття заклала основи волоконно-оптичного зв'язку. На чому ж ґрунтується дія світловодів? З оптики добре відомо: якщо направити світловий промінь з більш щільного середовища в менш щільне (наприклад, з води або скла повітря), то значна частина його відбивається назад від межі двох середовищ. При цьому чим менше кут падіння променя, тим більша частина світлового потоку виявиться відбитою. Шляхом експерименту можна підібрати такий пологий кут, при якому відбивається весь світ і лише нікчемна його частина потрапляє з більш щільного середовища в менш щільне. Світло при цьому виявляється немов ув'язненим у щільному середовищі і поширюється в ньому, повторюючи всі його вигини. Цей ефект "утримання світла" можна спостерігати на прикладі поширення світла всередині струменя води, який він не може залишити, постійно відбиваючись від межі води та повітря. Так само відбувається передача світлового сигналу по оптичному скляному волокну. Увійшовши всередину нього, світловий пучок поширюється у різних напрямках. Промені, що йдуть під малим кутом до межі двох середовищ, повністю відбиваються від неї. Таким чином, оболонка міцно утримує їх, забезпечуючи світлонепроникний канал передачі сигналу практично зі швидкістю світла.
В ідеальних світловодах, виготовлених з абсолютно прозорого та однорідного матеріалу, світлові хвилі повинні поширюватися не слабшаючи, але практично всі реальні світловоди більш-менш сильно поглинають і розсіюють електромагнітні хвилі через свою непрозорість та неоднорідність. (Поглинання зовні проявляється як нагрівання світловода; розсіювання - це коли частина випромінювання залишає волокно.) Скло, яке здається таким прозорим у вікнах, вітринах та біноклях, насправді виявляється далеко не однорідним. Це легко помітити, глянувши через торець листового скла. При цьому відразу стає видно його слабке блакитно-зелене забарвлення. Дослідження показують, що це забарвлення викликане невеликою кількістю заліза та міді, що міститься у склі. Навіть у найчистіших шибках, що виготовляються для астрономічних і фотографічних об'єктивів, є велика кількість пофарбованих домішок. У перших світловодах, виготовлених з такого скла, втрати енергії були дуже великі (на 1 м світловода втрачалося понад 50% введеного в нього світла). Однак і за такої якості вдалося створити прилади, що дозволяли пропускати світло через вигнуті канали, спостерігати внутрішні поверхні металевих порожнин, вивчати стан внутрішніх органів людського тіла тощо. Але для створення магістральних ліній зв'язку такі світловоди малопридатні. Знадобилося близько десятиліття для того, щоб створити лабораторні зразки волоконних світловодів, здатних передати на 1 км 1% введеної в них потужності світла. Наступним завданням було виготовити з такого волокна світловодний кабель, придатний для практичного застосування, розробити джерела та приймачі випромінювання. Найпростіший волоконний світловод є тонкою ниткою з прозорого діелектрика. Світові хвилі, що передаються, йдуть під малими кутами до осі світловода і відчувають повне внутрішнє відображення від його поверхні. Але використовувати такий світловод можна тільки в лабораторії, тому що незахищена поверхня скла у звичайних умовах поступово покривається порошинками, на ній розвивається безліч дефектів: мікротріщин, нерівностей, які порушують умови повного внутрішнього відбиття світла всередині волокна, дуже поглинають та розсіюють промені. Суттєві додаткові втрати виникають у місцях контакту світловода з опорами, що підтримують незахищений кабель.
Радикальна зміна ситуації було з створенням двошарових світловодів. Такі світловоди складалися із світловодної жили, укладеної в прозору оболонку, показник заломлення якої був меншим, ніж показник заломлення жили. Якщо товщина прозорої оболонки перевищує кілька довжин хвиль переданого світлового сигналу, то ні пил, ні властивості середовища поза цією оболонкою не мають істотного впливу на процес поширення світлової хвилі в двошаровому світловоді. Ці світловоди можна покривати полімерною оболонкою і перетворювати їх на світлознавчий кабель, придатний для практичного застосування. Але для цього необхідно створити високу досконалість кордону між житловою та прозорою оболонкою. Найбільш проста технологія виготовлення світловоду полягає в тому, що скляний стрижень-серцевина вставляється в щільно підігнану скляну трубку з меншим показником заломлення. Потім ця конструкція нагрівається. 1970 року фірма "Корнінг гласс" вперше розробила скляні світловоди, придатні для передачі світлового сигналу на великі відстані. А до середини 70-х років були створені світловоди із надчистого кварцового скла, інтенсивність світла в яких зменшувалась удвічі лише на відстані 6 км. (Наскільки прозоре таке скло, видно з наступного прикладу: якщо уявити собі, що у вікно вставлено надчисте оптичне скло товщиною 10 км, воно буде пропускати світло так само добре, як звичайне віконне скло сантиметрової товщини!)
Крім світловода волоконно-оптична система зв'язку включає блок оптичного передавача (в якому електричні сигнали, що надходять на вхід системи, перетворюються в оптичні імпульси) і блок оптичного приймача (приймає оптичні сигнали і перетворює їх в електричні імпульси). Якщо лінія має велику протяжність, на ній діють також ретранслятори - вони приймають і посилюють сигнали, що передаються. У пристроях для введення випромінювання в волоконні світловоди широко застосовуються лінзи, які мають дуже маленький діаметр і фокусну відстань до сотень і десятків мікрон. Джерела випромінювання можуть бути двох типів: лазери та світловипромінюючі діоди, які працюють як генератори несучої хвилі. Переданий сигнал (це може бути телевізійна передача, телефонна розмова тощо) модулюється і накладається на хвилю, що несе точно так само, як це має місце в радіотехніці. Проте набагато ефективніше передавати інформацію у цифровому вигляді. При цьому знову-таки не має значення, яка інформація передається таким чином: телефонна розмова, друкований текст, музика, телевізійна передача або зображення картини. Першим кроком для перетворення сигналу на цифрову форму є визначення його значень через певні інтервали часу - цей процес називається дискретизацією сигналу за часом. Доведено (і математично, і практично), що якщо інтервал T, принаймні, в 2 рази менше найвищої частоти, що міститься в спектрі сигналу, що передається, то цей сигнал може бути надалі відновлений з дискретної форми без будь-яких спотворень. Тобто замість безперервного сигналу без шкоди для інформації можна подавати набір дуже коротких імпульсів, що відрізняються один від одного тільки своєю амплітудою. Але немає потреби передавати ці імпульси саме в такому вигляді. Оскільки всі вони мають однаковий вигляд і зрушені один щодо одного на той самий тимчасовий інтервал T, то можна передавати не весь сигнал, а лише значення його амплітуди. У нашому прикладі розбивка амплітудою йде на вісім рівнів. Це означає, що значення кожного імпульсу можна інтерпретувати як число двійкового коду. Значення цього і передається лінії зв'язку. Оскільки передачі кожного двійкового числа необхідні лише дві цифри - 0 і 1, вона дуже спрощується: 0 відповідає відсутності сигналу, а 1 - його наявності. На передачу кожної цифри у прикладі йде час у 1/3 T. Відновлення переданого сигналу відбувається у порядку. Подача сигналу в цифровому вигляді дуже зручна, оскільки фактично виключає будь-які спотворення та перешкоди.
Оптична система зв'язку поки що відносно дорога, що стримує її широке поширення, але немає сумніву, що це лише тимчасова перешкода. Переваги та переваги її настільки очевидні, що вона неодмінно має отримати у майбутньому повсюдне застосування. Насамперед, волоконно-оптичні кабелі дуже стійкі до перешкод і мають невелику вагу. При освоєнні технології їх масового виробництва вони можуть виявитися набагато дешевшими за електричні кабелі, що використовуються зараз, оскільки сировина для них вже зараз набагато дешевша. Але найважливіше їх гідність у тому, що вони мають величезну пропускну спроможність - в одиницю часу через них можна пропускати такі величезні обсяги інформації, які неможливо передати жодним із відомих зараз способів зв'язку. Всі ці якості повинні забезпечити волоконно-оптичним лініям зв'язку багатогранне застосування насамперед у блоках ЕОМ (вже накопичений великий досвід створення мікросхем, у яких використовуються мікроскопічні світловоди; швидкодія таких мікросхем приблизно в 1000 разів більша, ніж у звичайних), у кабельному телебаченні; потім відбудеться заміна телефонних кабелів на магістральних лініях та створення телевізійних кабелів; у перспективі очікується об'єднання всіх цих мереж у єдину інформаційну мережу. У багатьох розвинених країнах (і насамперед у США) вже зараз багато телефонних ліній зв'язку замінені світловодами. Практикується створення міських оптиковолоконних мереж. Так, у 1976 році міська цифрова волоконно-оптична телефонна система зв'язку була встановлена у великому американському місті Атланті. Автор: Рижов К.В.
Машина для проріджування квітів у садах
02.05.2024 Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону
02.05.2024 Пастка для комах
01.05.2024
▪ Сенсор для діагностики хвороб по поту ▪ Електричний буксир RSD-E Tug 2513 ▪ Джерела живлення світлодіодів HLG-H працюють на 40 градусах морозу. ▪ Електромобілі із пластикових пляшок та льону
▪ розділ сайту Шпигунські штучки. Добірка статей ▪ стаття Гра з нульовою сумою. Крилатий вислів ▪ стаття Коли вперше почали використовувати вітряки? Детальна відповідь ▪ стаття Скорцонер. Легенди, вирощування, способи застосування ▪ стаття Підсилювач Pass Zen. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Рекомендуємо цікаві статті розділу 
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page