Sistemas de comunicación óptica: propósito, historia de la creación, ventajas.
¿Cómo surgió la conexión eléctrica?
Los prototipos de los sistemas de comunicación modernos aparecieron en el siglo pasado y al final de sus cables telegráficos habían enredado al mundo entero. A través de ellos se transmitieron cientos de miles de telegramas, y pronto el telégrafo dejó de hacer frente a la carga. Los envíos se retrasaron y todavía no había comunicación telefónica y por radio de larga distancia.
A principios del siglo XX se inventó el tubo de electrones. La tecnología de radio comenzó a desarrollarse rápidamente, se sentaron las bases de la electrónica. Los comunicadores han aprendido a transmitir ondas de radio no solo a través del espacio (a través del aire), sino también a enviarlas a través de cables y cables de comunicación.
El uso de ondas de radio sirvió como base para compactar la parte más costosa e ineficiente de los sistemas de transmisión de información: los dispositivos lineales. Al comprimir la línea en frecuencia, en tiempo, utilizando métodos especiales de "empaquetado" de información, hoy es posible transmitir decenas de miles de mensajes diferentes en una sola línea por unidad de tiempo. Tal comunicación se llama multicanal.
Los límites entre los diferentes tipos de comunicación comenzaron a desdibujarse. Se complementaron armoniosamente entre sí, el telégrafo, el teléfono, la radio y más tarde la televisión, el relevo de radio y más tarde las comunicaciones espaciales por satélite se unieron en un sistema de comunicación eléctrica común.
Tecnologías modernas de comunicación
Estanqueidad informativa de los canales de comunicación
Las ondas con una longitud de 3000 km a 4 mm trabajan en los canales de transmisión de información. El equipo está en operación capaz de transmitir 400 megabits por segundo sobre un canal de comunicación (400 Mbit/s son 400 millones de bits por segundo). Si tomamos una letra en este orden por 1 bit, entonces 400 Mbit formarán una biblioteca de 500 volúmenes, cada uno con 20 hojas impresas).
¿Son los medios de comunicación eléctrica actuales similares a sus prototipos del siglo pasado? Más o menos lo mismo que un avión de salto. A pesar de toda la perfección del equipo en los canales de comunicación modernos, por desgracia, está demasiado lleno: mucho más cerca que en los años 90 del siglo pasado.
Cables telegráficos en Cincinnati, EE. UU. (principios del siglo XX)
Una mujer escucha la radio a través de auriculares, 28 de marzo de 1923.
Existe una contradicción entre la creciente necesidad de transmisión de información y las propiedades básicas de los procesos físicos utilizados actualmente en los canales de comunicación. Para diluir la "densidad de información", es necesario conquistar ondas cada vez más cortas, es decir, dominar frecuencias cada vez más altas. La naturaleza de las oscilaciones electromagnéticas es tal que cuanto mayor sea su frecuencia, más información por unidad de tiempo se puede transmitir a través del canal de comunicación.
Pero con todas las mayores dificultades que deben enfrentar los comunicadores: con una disminución en la onda, los ruidos internos (intrínsecos) de los dispositivos receptores aumentan bruscamente, la potencia de los generadores disminuye y la eficiencia disminuye significativamente. transmisores, y de toda la electricidad consumida, solo una pequeña parte se convierte en energía útil de ondas de radio.
El transformador de salida del circuito de transmisión de tubo de la estación de radio Nauen en Alemania con un alcance de más de 20.000 kilómetros (octubre de 1930)
Las primeras comunicaciones por radio UHF se establecieron entre el Vaticano y la residencia de verano del Papa Pío XI, 1933.
Las ondas ultracortas (UHF) pierden su energía catastróficamente rápido en el camino. Por lo tanto, las señales de mensajes tienen que ser amplificadas y regeneradas (restauradas) con demasiada frecuencia. Tenemos que recurrir a equipos complejos y costosos. La comunicación en el rango centimétrico de las ondas de radio, por no hablar del rango milimétrico, se enfrenta a numerosos obstáculos.
Desventajas de los canales de comunicación eléctrica.
Casi todas las comunicaciones eléctricas modernas son multicanal. Para transmitir en un canal de 400 Mbit / s, debe trabajar en el rango de decimímetro de las ondas de radio. Esto solo es posible en presencia de equipos muy complejos y, por supuesto, un cable especial de alta frecuencia (coaxial), que consta de uno o más pares coaxiales.
En cada par, los conductores exterior e interior son cilindros coaxiales. Dos de estos pares pueden transmitir simultáneamente 3.600 llamadas telefónicas o varios programas de televisión. En este caso, sin embargo, las señales deben amplificarse y regenerarse cada 1,5 km.
Un señalero con estilo en la década de 1920
Los canales de comunicación están dominados por líneas de cable. Están protegidos de influencias externas, perturbaciones eléctricas y magnéticas. Los cables son duraderos y de funcionamiento confiable, son convenientes para colocarlos en diferentes entornos.
Sin embargo, la producción de cables y alambres de comunicación consume más de la mitad de la producción mundial de metales no ferrosos, cuyas reservas están disminuyendo rápidamente.
El metal es cada vez más caro. Y la producción de cables, especialmente los coaxiales, es un negocio complejo y extremadamente intensivo en energía. Y la necesidad de ellos está creciendo. Por lo tanto, no es difícil imaginar cuáles son los costos para la construcción de líneas de comunicación y su operación.
Instalación de una línea de cable en Nueva York, 1888.
La red de comunicaciones es la estructura más espectacular y costosa que el hombre haya creado en la Tierra. ¿Cómo desarrollarlo más, si ya en los años 50 del siglo XX quedó claro que las telecomunicaciones se acercaban al umbral de su viabilidad económica?
Finalización de la Línea Telefónica Transcontinental, Wendover, Utah, 1914.
Para eliminar la "densidad de información en los canales de comunicación, fue necesario aprender a utilizar los rangos ópticos de las oscilaciones electromagnéticas. Después de todo, las ondas de luz tienen millones de veces más vibraciones que VHF.
Si se creara un canal de comunicación óptico, sería posible transmitir simultáneamente varios miles de programas de televisión y muchas más llamadas telefónicas y transmisiones de radio.
La tarea parecía abrumadora. Pero en el camino hacia su solución, una especie de laberinto de problemas se presentó ante los científicos y señaleros. Siglos XX nadie supo superarlo.
"Televisión y radio soviéticas" — exposición en el parque "Sokolniki", Moscú, 5 de agosto de 1959.
Láseres
En 1960, se creó una fuente de luz increíble: un láser o generador cuántico óptico (LQG). Este dispositivo tiene propiedades únicas.
Es imposible hablar sobre el principio de funcionamiento y el dispositivo de varios láseres dentro de un artículo breve. Ya había un artículo detallado sobre láseres en nuestro sitio web: El dispositivo y el principio de funcionamiento de los láseres.… Aquí nos limitamos a enumerar sólo aquellas características del láser que han llamado la atención de los trabajadores de la comunicación.
Ted Mayman, contrainstructor del primer láser funcional, 1960.
En primer lugar, establezcamos la coherencia de la radiación. La luz láser es casi monocromática (un color) y diverge en el espacio-tiempo menos que la luz del reflector más perfecto. La energía concentrada en el haz de aguja del láser es muy alta. Fueron estas y algunas otras propiedades del láser las que impulsaron a los trabajadores de comunicaciones a utilizar el láser para la comunicación óptica.
Los primeros borradores se resumieron de la siguiente manera. Si usa un láser como generador y modula su rayo con una señal de mensaje, obtiene un transmisor óptico. Dirigiendo el haz al receptor de luz, obtenemos un canal de comunicación óptica. Sin hilos, sin cables. La comunicación será a través del espacio (comunicación láser abierta).
Experiencia con láseres en un laboratorio de ciencias.
Los experimentos de laboratorio confirmaron brillantemente la hipótesis de los trabajadores de la comunicación. Y pronto hubo una oportunidad de probar esta relación en la práctica.Desafortunadamente, las esperanzas de los señaleros de comunicación láser abierta en la Tierra no se hicieron realidad: la lluvia, la nieve, la niebla hicieron que la comunicación fuera incierta y, a menudo, la cortaran por completo.
Se hizo evidente que las ondas de luz que transportan información deben estar protegidas por la atmósfera. Esto se puede hacer con la ayuda de guías de ondas: tubos de metal delgados, uniformes y muy suaves en el interior.
Pero los ingenieros y economistas reconocieron de inmediato las dificultades involucradas en hacer guías de ondas absolutamente suaves y uniformes. Las guías de ondas eran más caras que el oro. Aparentemente, el juego no valía la pena.
Tuvieron que buscar formas fundamentalmente nuevas de crear guías mundiales. Había que asegurarse de que las guías de luz no fueran de metal, sino de alguna materia prima barata y no escasa. Tomó décadas desarrollar fibras ópticas adecuadas para transmitir información utilizando la luz.
La primera fibra de este tipo está hecha de vidrio ultrapuro. Se creó una estructura de núcleo y capa coaxial de dos capas. Los tipos de vidrio se eligieron de modo que el núcleo tuviera un índice de refracción más alto que el revestimiento.
Reflexión interna casi total en el medio óptico
Pero, ¿cómo conectar diferentes lentes para que no haya defectos en el límite entre el núcleo y la cubierta? ¿Cómo conseguir tersura, uniformidad y al mismo tiempo máxima resistencia de las fibras?
Gracias a los esfuerzos de científicos e ingenieros, finalmente se creó la fibra óptica deseada. Hoy en día, las señales de luz se transmiten a través de cientos y miles de kilómetros. Pero, ¿cuáles son las leyes de propagación de la energía luminosa en medios conductores no metálicos (dieléctricos)?
Modos de fibra
Las fibras monomodo y multimodo pertenecen a las fibras ópticas a través de las cuales viaja la luz, experimentando actos de reflexión interna repetida en la interfaz núcleo-revestimiento (los expertos se refieren a las oscilaciones naturales del sistema resonador por "modo").
Los modos de la fibra son sus propias ondas, es decir, las que son captadas por el alma de la fibra y se extienden a lo largo de la fibra desde su inicio hasta su final.
El tipo de fibra está determinado por su diseño: los componentes de los que están hechos el núcleo y el revestimiento, así como la relación entre las dimensiones de la fibra y la longitud de onda utilizada (el último parámetro es especialmente importante).
En las fibras monomodo, el diámetro del núcleo debe estar cerca de la longitud de onda natural. De las muchas ondas, el núcleo de la fibra captura solo una de sus propias ondas. Por lo tanto, la fibra (guía de luz) se denomina monomodo.
Si el diámetro del núcleo excede la longitud de cierta onda, entonces la fibra puede conducir varias decenas o incluso cientos de ondas diferentes a la vez. Así funciona la fibra multimodo.
Transmisión de información por luz a través de fibras ópticas
La luz se inyecta en la fibra óptica solo desde una fuente adecuada. Más a menudo — de un láser. Pero nada es perfecto por naturaleza. Por lo tanto, el rayo láser, a pesar de su monocromaticidad inherente, todavía contiene un cierto espectro de frecuencia o, en otras palabras, emite un cierto rango de longitudes de onda.
¿Qué además de un láser puede servir como fuente de luz para las fibras ópticas? LED de alto brillo. Sin embargo, la directividad de la radiación en ellos es mucho menor que la de los láseres.Por lo tanto, los diodos chamuscados introducen en la fibra decenas y cientos de veces menos energía que el láser.
Cuando un rayo láser se dirige al núcleo de la fibra, cada onda lo golpea en un ángulo estrictamente definido. Esto significa que diferentes ondas propias (modos) para el mismo intervalo de tiempo pasan a través de la fibra (desde su principio hasta el final) caminos de diferentes longitudes. Esta es la dispersión de ondas.
¿Y qué pasa con las señales? Al pasar por un camino diferente en la fibra durante el mismo intervalo de tiempo, pueden llegar al final de la línea en forma distorsionada.Los expertos llaman a este fenómeno modo de dispersión.
El núcleo y la vaina de la fibra son similares. ya mencionados, están hechos de vidrio con diferentes índices de refracción. Y el índice de refracción de cualquier sustancia depende de la longitud de onda de la luz que afecta a la sustancia. Por tanto, hay una dispersión de la materia, o dicho de otro modo, una dispersión material.
La longitud de onda, el modo y la dispersión del material son tres factores que afectan negativamente la transmisión de energía luminosa a través de las fibras ópticas.
No hay dispersión de modo en las fibras monomodo. Por lo tanto, tales fibras pueden transmitir cientos de veces más información por unidad de tiempo que las fibras multimodo. ¿Qué pasa con las dispersiones de ondas y materiales?
En las fibras monomodo se intenta que, en determinadas condiciones, las dispersiones de onda y de material se anulen entre sí. Posteriormente, fue posible crear una fibra de este tipo, donde el efecto negativo del modo y la dispersión de onda se debilitó significativamente. ¿Cómo lo has conseguido?
Seleccionamos el gráfico de la dependencia del cambio en el índice de refracción del material de fibra con un cambio en su distancia desde el eje (a lo largo del radio) de acuerdo con la ley parabólica. La luz viaja a lo largo de dicha fibra sin experimentar múltiples actos de reflexión total en la interfaz núcleo-revestimiento.
Gabinete de distribución de comunicaciones. Los cables amarillos son fibras monomodo, los cables naranja y azul son fibras multimodo
Los caminos de la luz captada por la fibra óptica son diferentes. Algunos rayos se extienden a lo largo del eje del núcleo, desviándose de él en una u otra dirección a distancias iguales ("serpiente"), otros que se encuentran en los planos que cruzan el eje de la fibra forman un conjunto de espirales. El radio de algunos permanece constante, los radios de otros cambian periódicamente. Estas fibras se denominan refractivas o de gradiente.
Es muy importante saber; ¿Con qué ángulo límite debe dirigirse la luz al final de cada fibra óptica? Esto determina cuánta luz entrará en la fibra y se conducirá desde el principio hasta el final de la línea óptica. Este ángulo está determinado por la apertura numérica de la fibra (o simplemente, la apertura).
comunicación óptica
FOCL
Como líneas de comunicación óptica (FOCL), no se pueden utilizar fibras ópticas, por sí mismas delgadas y frágiles. Las fibras se utilizan como materia prima para la producción de cables de fibra óptica (FOC). Los FOC se producen en una variedad de diseños, formas y propósitos.
En términos de resistencia y confiabilidad, los FOC no son inferiores a sus prototipos de uso intensivo de metal y se pueden colocar en los mismos entornos que los cables con conductores metálicos: en el aire, bajo tierra, en el fondo de ríos y mares. WOK es mucho más fácil.Es importante destacar que los FOC son completamente insensibles a las perturbaciones eléctricas y las influencias magnéticas. Después de todo, es difícil lidiar con tales interferencias en los cables metálicos.
Los cables ópticos de primera generación en las décadas de 1980 y 1990 reemplazaron con éxito las carreteras coaxiales entre las centrales telefónicas automáticas. La longitud de estas líneas no superó los 10-15 km, pero los señaleros dieron un suspiro de alivio cuando fue posible transmitir toda la información necesaria sin regeneradores intermedios.
Apareció una gran oferta de "espacio vital" en los canales de comunicación, y el concepto de "rigurosidad de la información" perdió relevancia. Ligero, delgado y lo suficientemente flexible, el FOC se colocó sin dificultad en el teléfono subterráneo existente.
Con la central telefónica automática, fue necesario agregar un equipo simple que convierte las señales ópticas en eléctricas (en la entrada de la estación anterior) y eléctricas en ópticas (en la salida de la siguiente estación). Todos los equipos de conmutación, líneas de abonados y sus teléfonos no han sufrido cambios. Todo resultó, como dicen, barato y alegre.
Instalación de cable de fibra óptica en la ciudad
Instalación de cable óptico sobre el soporte de la línea aérea de transmisión
A través de las modernas líneas de comunicación óptica, la información no se transmite en forma analógica (continua), sino en forma discreta (digital).
Las líneas de comunicación óptica permitieron en los últimos 30-40 años llevar a cabo transformaciones revolucionarias en las tecnologías de la comunicación y con relativa rapidez durante un largo período de tiempo para acabar con el problema de la "rigurosidad de la información" en los canales de transmisión de información.Entre todos los medios de comunicación y transmisión, la información, las líneas de comunicación óptica ocupan una posición de liderazgo y dominarán a lo largo del siglo XXI.
Además:
El principio de conversión y transmisión de información sobre fibras ópticas.