|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
HISTORIA TECHNOLOGII, TECHNOLOGII, OBIEKTÓW WOKÓŁ NAS
Światłowodowa linia komunikacyjna. Historia wynalazku i produkcji
Katalog / Historia technologii, technologii, przedmiotów wokół nas Światłowodowa linia komunikacyjna (transmisyjna) – system światłowodowy składający się z elementów pasywnych i aktywnych, przeznaczony do przesyłania informacji w zakresie optycznym (zwykle bliskiej podczerwieni).
W XX wieku ludzkość była świadkiem ogromnego skoku w rozwoju różnych rodzajów komunikacji, zwłaszcza telefonii, radia i telewizji. Dzięki nim, a także dzięki pojawieniu się satelitarnego systemu komunikacji kosmicznej, współczesny człowiek otrzymał niedostępną dla poprzednich pokoleń możliwość porozumiewania się z najdalszymi i odległymi zakątkami planety, zobaczenia, usłyszenia i poznania wszystkiego, co się dzieje na świecie. Jednak przy wszystkich zaletach tradycyjnych rodzajów komunikacji, każdy z nich ma szereg wad, które wraz ze wzrostem ilości przesyłanych informacji stają się coraz bardziej wrażliwe. Pomimo najnowszych technologii, które potrafią znacznie skondensować informacje przesyłane kablem, główne linie telefoniczne nadal są często przeciążone. Mniej więcej to samo można powiedzieć o radiu i telewizji, w których sygnały informacyjne przenoszone są za pomocą fal elektromagnetycznych: coraz większa liczba kanałów telewizyjnych i radiowych, nadawczych i usługowych, doprowadziła do wzajemnych zakłóceń, do sytuacji zwanej „zatłoczonym powietrzem”. ”. Był to jeden z impulsów do rozwoju coraz większej liczby krótkofalowych pasm radiowych. Wiadomo: im krótsze fale używane do nadawania, tym więcej stacji radiowych bez wzajemnych zakłóceń może się zmieścić w danym zakresie (można to łatwo zauważyć, obracając ustawienie radia: jeśli możemy złapać tylko kilka stacji radiowych na długich falach, potem są już dziesiątki takich stacji radiowych na falach krótkich i ultrakrótkich i setki, dosłownie „siedzą na każdym milimetrze”). Inną wadą tradycyjnych rodzajów komunikacji jest to, że generalnie nieopłacalne jest wykorzystywanie fal wypromieniowanych w wolną przestrzeń do przesyłania informacji. W końcu energia na pewien obszar czoła takiej fali maleje wraz ze wzrostem czoła fali. Dla fali sferycznej (czyli takiej, która rozchodzi się równomiernie we wszystkich kierunkach od źródła), tłumienie jest odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości od źródła fali do odbiornika. W rezultacie nowoczesna technologia radiowa wydaje dużo pieniędzy na izolowanie i wzmacnianie użytecznego sygnału. Zupełnie inny obraz byłby w przypadku, gdyby informacje były przesyłane wąską skierowaną wiązką lub wiązką. Straty w tym przypadku byłyby znacznie mniejsze. Te niedociągnięcia sugerują, że ludzkość stoi u progu ważnej rewolucji w systemie komunikacji, która doprowadzi do tego, że w XXI wieku jej głównym typem stanie się optoelektronika, która nie ma tych wszystkich niedociągnięć. Oczekuje się, że już w pierwszych dekadach nadchodzącego stulecia wszystkie nowe systemy telefoniczne, telewizyjne i komputerowe będą połączone światłowodami wykorzystującymi promieniowanie laserowe jako nośnik informacji. Era nowoczesnej komunikacji optycznej rozpoczęła się w 1960 roku wraz ze stworzeniem pierwszego lasera. Wynalezienie laserów w ogóle dało początek nadziei na szybkie i łatwe przezwyciężenie problemów „natłoku eteru”. Rzeczywiście, wykorzystanie fal mikronowych światła widzialnego do celów komunikacyjnych zamiast centymetrowych i milimetrowych fal radiowych umożliwiło niemal nieskończone zwiększanie ilości przesyłanych informacji. Na przykład system komunikacji laserowej helowo-neonowej ma przepustowość, która może jednocześnie obsłużyć około miliona kanałów telewizyjnych. Jednak pierwsze eksperymenty rozwiały różowe złudzenia. Okazało się, że atmosfera ziemska bardzo aktywnie pochłania i rozprasza promieniowanie optyczne, a lasery (w przypadku, gdy wiązka rozchodzi się bezpośrednio w powietrzu) mogą być wykorzystywane jedynie do celów komunikacyjnych na bardzo krótkie odległości (średnio nie więcej niż 1 km) Wszystkie próby nie były w stanie pokonać tej trudności. Tak było w przypadku, gdy w 1966 roku dwóch japońskich naukowców, Kao i Hokema, zaproponowało wykorzystanie długich włókien szklanych do transmisji sygnału świetlnego, podobnych do tych stosowanych już w endoskopii i innych dziedzinach. Ich artykuł położył podwaliny pod komunikację światłowodową. Jaka jest podstawa działania światłowodów? Z optyki dobrze wiadomo, że jeśli wiązka światła zostanie skierowana z gęstszego ośrodka do mniej gęstego (na przykład z wody lub szkła do powietrza), wówczas znaczna jej część odbija się z powrotem od granicy dwóch mediów . W takim przypadku im mniejszy kąt padania wiązki, tym większa część strumienia świetlnego zostanie odbita. Eksperymentalnie można wybrać taki łagodny kąt, pod którym odbijane jest całe światło i tylko niewielka jego część przechodzi z gęstszego ośrodka do mniej gęstego. W tym przypadku światło okazuje się jak więzień w gęstym medium i rozchodzi się w nim, powtarzając wszystkie zakręty. Ten efekt „zatrzymywania światła” można zaobserwować na przykładzie rozchodzenia się światła w strumieniu wody, którego nie może opuścić, stale odbijając się od granicy wody i powietrza. W ten sam sposób sygnał świetlny jest przesyłany przez światłowód szklany. Wchodząc do środka wiązka światła rozchodzi się w różnych kierunkach. Promienie biegnące pod niewielkim kątem do granicy dwóch mediów są od niej całkowicie odbijane. W ten sposób powłoka mocno je trzyma, zapewniając nieprzezroczysty kanał do transmisji sygnału prawie z prędkością światła.
W idealnych światłowodach wykonanych z absolutnie przezroczystego i jednorodnego materiału fale świetlne powinny rozchodzić się bez przeszkód, ale prawie wszystkie światłowody rzeczywiste mniej lub bardziej pochłaniają i rozpraszają fale elektromagnetyczne ze względu na swoją nieprzezroczystość i niejednorodność. (Absorpcja pojawia się na zewnątrz jako ogrzewanie światłowodu; rozpraszanie ma miejsce, gdy część promieniowania opuszcza światłowód). Szkło, które wydaje się tak przezroczyste w oknach, witrynach sklepowych i lornetkach, w rzeczywistości jest dalekie od jednorodności. Łatwo to zauważyć, patrząc przez przednią powierzchnię tafli szkła. W tym samym czasie jego blady niebiesko-zielony kolor staje się natychmiast widoczny. Badania pokazują, że to zabarwienie jest spowodowane przez niewielkie ilości żelaza i miedzi znajdujące się w szkle. Nawet najczystsze okulary przeznaczone do soczewek astronomicznych i fotograficznych zawierają duże ilości kolorowych zanieczyszczeń. W pierwszych światłowodach wykonanych z takiego szkła straty energii były bardzo duże (na 1 m światłowodu tracono ponad 50% wprowadzonego do niego światła). Jednak nawet przy tej jakości udało się stworzyć urządzenia, które umożliwiły przepuszczanie światła przez zakrzywione kanały, obserwację wewnętrznych powierzchni metalowych wnęk, badanie stanu narządów wewnętrznych ludzkiego ciała itp. Ale do tworzenia linii komunikacyjnych magistralnych takie światłowody były mało przydatne. Około dekadę zajęło stworzenie laboratoryjnych próbek światłowodów zdolnych do przepuszczania 1% wprowadzonej do nich mocy świetlnej na 1 km. Kolejnym zadaniem było wykonanie kabla światłowodowego nadającego się do praktycznego zastosowania z takiego włókna, aby opracować źródła i odbiorniki promieniowania. Najprostszym światłowodem jest cienkie włókno o przezroczystym dielektryku. Przepuszczane fale świetlne przemieszczają się pod małymi kątami do osi światłowodu i podlegają całkowitemu wewnętrznemu odbiciu od jego powierzchni. Ale taki światłowód może być używany tylko w laboratorium, ponieważ niezabezpieczona powierzchnia szkła w normalnych warunkach jest stopniowo pokryta drobinkami kurzu, rozwija się na niej wiele defektów: mikropęknięcia, nieregularności, które naruszają warunki całkowitego wewnętrznego odbicia światła wewnątrz światłowodu , bardzo silnie pochłaniają i rozpraszają promienie. Znaczne straty dodatkowe występują w miejscach styku światłowodu z podporami podtrzymującymi nieosłonięty kabel.
Radykalna zmiana sytuacji była związana z powstaniem dwuwarstwowych światłowodów. Takie światłowody składały się z pasma światłowodu zamkniętego w przezroczystej osłonie, którego współczynnik załamania był niższy niż w przypadku pasma. Jeżeli grubość przezroczystej powłoki przekracza kilka długości fali transmitowanego sygnału świetlnego, to ani pył, ani właściwości ośrodka na zewnątrz tej powłoki nie mają istotnego wpływu na proces propagacji fali świetlnej w dwuwarstwowym światłowodzie. Te światłowody mogą być pokryte powłoką polimerową i przekształcone w kabel światłowodowy odpowiedni do zastosowań praktycznych. Ale do tego konieczne jest stworzenie wysokiej doskonałości granicy między żyłą a przezroczystą powłoką. Najprostszą technologią wytwarzania światłowodu jest umieszczenie szklanego rdzenia pręta w ciasno dopasowanej szklanej rurce o niższym współczynniku załamania. Następnie ta struktura jest podgrzewana. W 1970 roku firma Corning Glass była pionierem w opracowaniu szklanych światłowodów odpowiednich do przesyłania sygnałów świetlnych na duże odległości. W połowie lat 70. powstały światłowody z ultraczystego szkła kwarcowego, których natężenie światła zostało zmniejszone o połowę tylko w odległości 6 km. (Jak przezroczystość takiego szkła widać na poniższym przykładzie: jeśli wyobrazisz sobie, że do okna wstawia się ultra-przezroczyste szkło optyczne o grubości 10 km, to będzie ono przepuszczać światło tak samo jak zwykła szyba okienna grubości centymetra!)
Oprócz światłowodu system komunikacji światłowodowej obejmuje nadajnik optyczny (w którym sygnały elektryczne wchodzące na wejście systemu są przetwarzane na impulsy optyczne) oraz odbiornik optyczny (odbiór sygnałów optycznych i przekształcanie ich w impulsy elektryczne). . Jeśli linia jest długa, działają na niej również repeatery - odbierają i wzmacniają przesyłane sygnały. W urządzeniach do wprowadzania promieniowania do światłowodów szeroko stosowane są soczewki, które mają bardzo małą średnicę i ogniskową rzędu setek i dziesiątek mikronów. Źródła promieniowania mogą być dwojakiego rodzaju: lasery i diody elektroluminescencyjne, które działają jako generatory fal nośnych. Przesyłany sygnał (może to być transmisja telewizyjna, rozmowa telefoniczna itp.) jest modulowany i nakładany na falę nośną w taki sam sposób, jak w radiotechnice. Znacznie wydajniejsze jest jednak przesyłanie informacji w formie cyfrowej. W tym przypadku znowu nie ma znaczenia, jakie informacje są przesyłane w ten sposób: rozmowa telefoniczna, drukowany tekst, muzyka, program telewizyjny czy obraz obrazu. Pierwszym krokiem w konwersji sygnału do postaci cyfrowej jest wyznaczenie jego wartości w określonych odstępach czasu – proces ten nazywany jest próbkowaniem sygnału w czasie. Udowodniono (zarówno matematycznie, jak i praktycznie), że jeśli odstęp T jest co najmniej 2 razy mniejszy od najwyższej częstotliwości zawartej w widmie nadawanego sygnału, to sygnał ten można dalej odtworzyć z postaci dyskretnej bez jakichkolwiek zniekształceń. Oznacza to, że zamiast sygnału ciągłego, bez uszczerbku dla przesyłanych informacji, można zastosować zestaw bardzo krótkich impulsów, które różnią się od siebie jedynie amplitudą. Ale nie ma potrzeby przekazywania tych impulsów w tej formie. Ponieważ wszystkie mają ten sam kształt i są przesunięte względem siebie o ten sam przedział czasu T, możliwe jest przesłanie nie całego sygnału, a jedynie wartości jego amplitudy. W naszym przykładzie podział według amplitudy obejmuje osiem poziomów. Oznacza to, że wartość każdego impulsu można interpretować jako liczbę binarną. Wartość tej liczby jest przesyłana linią komunikacyjną. Ponieważ do przesłania każdej liczby binarnej potrzebne są tylko dwie cyfry, 0 i 1, jest to znacznie uproszczone: 0 odpowiada brakowi sygnału, a 1 jego obecności. W naszym przykładzie do przesłania każdej cyfry potrzeba 1/3 T. Nadawany sygnał jest przywracany w odwrotnej kolejności. Podawanie sygnału w postaci cyfrowej jest bardzo wygodne, ponieważ praktycznie eliminuje wszelkie zniekształcenia i zakłócenia.
System komunikacji optycznej jest wciąż stosunkowo drogi, co utrudnia jego powszechne przyjęcie, ale nie ma wątpliwości, że jest to tylko przejściowa przeszkoda. Jego zalety i zalety są tak oczywiste, że z pewnością musi znaleźć szerokie zastosowanie w przyszłości. Przede wszystkim kable światłowodowe są bardzo odporne na zakłócenia i lekkie. Opanowując technologię ich masowej produkcji, mogą być znacznie tańsze niż obecnie używane kable elektryczne, ponieważ surowce do nich są już znacznie tańsze. Ale ich najważniejsza zaleta polega na tym, że mają ogromną przepustowość - w jednostce czasu można przez nie przepuścić tak ogromne ilości informacji, których nie da się przesłać żadną ze znanych obecnie metod komunikacji. Wszystkie te cechy powinny zapewniać światłowodowe linie komunikacyjne o wieloaspektowych zastosowaniach, głównie w jednostkach komputerowych (zgromadzono już duże doświadczenie w tworzeniu mikroukładów wykorzystujących mikroskopijne światłowody; prędkość takich mikroukładów jest około 1000 razy większa niż w przypadku konwencjonalnych te), w telewizji kablowej; potem nastąpi wymiana kabli telefonicznych na liniach miejskich i stworzenie kabli telewizyjnych; w przyszłości oczekuje się połączenia wszystkich tych sieci w jedną sieć informacyjną. W wielu rozwiniętych krajach (głównie w USA) wiele linii telefonicznych zostało już zastąpionych przez światłowody. Praktykuje się tworzenie miejskich sieci światłowodowych. Tak więc w 1976 roku w dużym amerykańskim mieście Atlancie zainstalowano miejski cyfrowy światłowodowy system komunikacji telefonicznej. Autor: Ryzhov K.V.
▪ Reaktor jądrowy na neutrony prędkie ▪ Termos
Nowy sposób kontrolowania i manipulowania sygnałami optycznymi
05.05.2024 Klawiatura Primium Seneca
05.05.2024 Otwarto najwyższe obserwatorium astronomiczne na świecie
04.05.2024
▪ Różnice między zawałem serca u mężczyzn i kobiet ▪ Stan psychiczny żołnierza pokaże specjalny znacznik ▪ Nowa metoda fotosyntezy pomoże rozwiązać problem głodu ▪ Pomidor produkuje witaminę D
▪ sekcja serwisu Dozymetry. Wybór artykułu ▪ artykuł Szycie drewnianymi igłami. Popularne wyrażenie ▪ artykuł Zaciskanie pętli. Wskazówki podróżnicze ▪ artykuł Okablowanie. Ogólne wymagania. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki
Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn
www.diagram.com.ua |
Polecamy ciekawe artykuły Sekcja 
Zobacz inne artykuły Sekcja 
Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:
Wszystkie języki tej strony