Optische Kommunikationssysteme: Zweck, Entstehungsgeschichte, Vorteile
Wie kam es zum elektrischen Anschluss?
Die Prototypen moderner Kommunikationssysteme tauchten im letzten Jahrhundert auf und hatten am Ende ihrer Telegrafendrähte die ganze Welt erfasst. Hunderttausende Telegramme wurden über sie übertragen, und bald war der Telegraf der Belastung nicht mehr gewachsen. Der Versand verzögerte sich und es gab immer noch keine Ferngespräche per Telefon und Funk.
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde die Elektronenröhre erfunden. Die Funktechnik begann sich rasant zu entwickeln, der Grundstein für die Elektronik war gelegt. Signalgeber haben gelernt, Radiowellen nicht nur durch den Weltraum (durch die Luft) zu übertragen, sondern sie auch über Drähte und Kommunikationskabel zu senden.
Die Verwendung von Funkwellen diente als Grundlage für die Kompaktierung des teuersten und ineffizientesten Teils von Informationsübertragungssystemen – linearer Geräte. Durch die Komprimierung der Frequenz und der Zeit der Leitung unter Verwendung spezieller Methoden zum „Verpacken“ von Informationen ist es heute möglich, Zehntausende verschiedener Nachrichten pro Zeiteinheit auf einer Leitung zu übertragen. Eine solche Kommunikation wird als Multichannel bezeichnet.
Die Grenzen zwischen verschiedenen Kommunikationsarten begannen zu verschwimmen. Sie ergänzten sich harmonisch, Telegraph, Telefon, Radio und später Fernsehen, Richtfunk und später Satellit, Weltraumkommunikation wurden in einem gemeinsamen elektrischen Kommunikationssystem vereint.
Moderne Kommunikationstechnologien
Informationsdichte der Kommunikationskanäle
In den Informationsübertragungskanälen wirken Wellen mit einer Länge von 3000 km bis 4 mm. Die Ausrüstung ist in der Lage, 400 Megabit pro Sekunde über einen Kommunikationskanal zu übertragen (400 Mbit/s sind 400 Millionen Bit pro Sekunde). Wenn wir einen Buchstaben in dieser Reihenfolge für 1 Bit nehmen, dann ergeben 400 Mbit eine Bibliothek von 500 Bänden mit jeweils 20 gedruckten Blättern.
Sind aktuelle elektrische Kommunikationsmittel ihren Prototypen aus dem letzten Jahrhundert ähnlich? So ziemlich das Gleiche wie ein Springflugzeug. Trotz aller Perfektion der Ausstattung moderner Kommunikationskanäle ist es leider zu voll: viel näher als in den 90er Jahren des letzten Jahrhunderts.
Telegraphendrähte in Cincinnati, USA (frühes 20. Jahrhundert)
Eine Frau hört am 28. März 1923 über Kopfhörer Radio.
Es besteht ein Widerspruch zwischen dem wachsenden Bedarf an Informationsübertragung und den grundlegenden Eigenschaften der derzeit in Kommunikationskanälen verwendeten physikalischen Prozesse. Um die „Informationsdichte“ zu verdünnen, ist es notwendig, immer kürzere Wellen zu überwinden, also immer höhere Frequenzen zu beherrschen. Es liegt in der Natur elektromagnetischer Schwingungen, dass je höher ihre Frequenz ist, desto mehr Informationen pro Zeiteinheit können über den Kommunikationskanal übertragen werden.
Doch mit all den größeren Schwierigkeiten, mit denen Kommunikatoren konfrontiert sind: Mit abnehmender Welle nehmen die internen (Eigen-)Rauschen der Empfangsgeräte stark zu, die Leistung der Generatoren nimmt ab und der Wirkungsgrad nimmt deutlich ab. Sender und von der gesamten verbrauchten Elektrizität wird nur ein kleiner Teil in nutzbare Radiowellenenergie umgewandelt.
Der Ausgangstransformator der Röhrenübertragungsschaltung des Radiosenders Nauen in Deutschland mit einer Reichweite von über 20.000 Kilometern (Oktober 1930)
Die erste UHF-Funkkommunikation wurde 1933 zwischen dem Vatikan und der Sommerresidenz von Papst Pius XI. eingerichtet.
Ultrakurzwellen (UHF) verlieren auf ihrem Weg katastrophal schnell ihre Energie. Daher müssen Nachrichtensignale zu oft verstärkt und regeneriert (wiederhergestellt) werden. Wir müssen auf komplexe und teure Geräte zurückgreifen. Die Kommunikation im Zentimeterbereich von Funkwellen, ganz zu schweigen vom Millimeterbereich, stößt auf zahlreiche Hindernisse.
Nachteile elektrischer Kommunikationskanäle
Fast alle modernen elektrischen Kommunikationsmittel sind mehrkanalig. Um auf einem 400-Mbit/s-Kanal zu übertragen, müssen Sie im Dezimimeterbereich von Funkwellen arbeiten. Dies ist nur mit sehr komplexer Ausrüstung und natürlich einem speziellen Hochfrequenzkabel (Koaxialkabel) möglich, das aus einem oder mehreren Koaxialpaaren besteht.
In jedem Paar sind der Außen- und der Innenleiter koaxiale Zylinder. Zwei solcher Paare können gleichzeitig 3.600 Telefongespräche oder mehrere Fernsehprogramme übertragen. In diesem Fall müssen die Signale jedoch alle 1,5 km verstärkt und regeneriert werden.
Ein stilvoller Signalwärter in den 1920er Jahren
Kommunikationskanäle werden von Kabelleitungen dominiert. Sie sind vor äußeren Einflüssen, elektrischen und magnetischen Störungen geschützt. Die Kabel sind langlebig und zuverlässig im Betrieb, sie lassen sich bequem in verschiedenen Umgebungen verlegen.
Allerdings entfällt auf die Herstellung von Kabeln und Kommunikationsleitungen mehr als die Hälfte der Weltproduktion an Nichteisenmetallen, deren Reserven rapide schwinden.
Das Metall wird teurer. Und die Herstellung von Kabeln, insbesondere von Koaxialkabeln, ist ein komplexes und äußerst energieintensives Geschäft. Und der Bedarf daran wächst. Daher ist es nicht schwer, sich vorzustellen, wie hoch die Kosten für den Bau von Kommunikationsleitungen und deren Betrieb sind.
Installation einer Kabellinie in New York, 1888.
Das Kommunikationsnetz ist das spektakulärste und teuerste Bauwerk, das der Mensch jemals auf der Erde geschaffen hat. Wie kann man es weiterentwickeln, wenn bereits in den 50er Jahren des 20. Jahrhunderts klar wurde, dass sich die Telekommunikation der Schwelle ihrer wirtschaftlichen Machbarkeit nähert?
Fertigstellung der Transkontinentalen Telefonleitung, Wendover, Utah, 1914.
Um die Informationsdichte in Kommunikationskanälen zu eliminieren, musste man lernen, die optischen Bereiche elektromagnetischer Schwingungen zu nutzen. Schließlich haben Lichtwellen millionenfach mehr Schwingungen als UKW.
Würde ein optischer Kommunikationskanal geschaffen, könnten mehrere tausend Fernsehprogramme und viele weitere Telefongespräche und Radiosendungen gleichzeitig übertragen werden.
Die Aufgabe schien entmutigend. Doch auf dem Weg zu seiner Lösung tauchte vor den Wissenschaftlern und Bahnwärtern eine Art Labyrinth von Problemen auf. Im 20. Jahrhundert wusste niemand, wie man es überwinden konnte.
„Sowjetisches Fernsehen und Radio“ – Ausstellung im „Sokolniki“-Park, Moskau, 5. August 1959.
Laser
Im Jahr 1960 wurde eine erstaunliche Lichtquelle geschaffen – ein Laser oder optischer Quantengenerator (LQG). Dieses Gerät verfügt über einzigartige Eigenschaften.
Es ist unmöglich, in einem kurzen Artikel über das Funktionsprinzip und das Gerät verschiedener Laser zu berichten. Auf unserer Website gab es bereits einen ausführlichen Artikel zum Thema Laser: Das Gerät und das Funktionsprinzip von Lasern… Hier beschränken wir uns darauf, nur die Merkmale des Lasers aufzuzählen, die die Aufmerksamkeit der Kommunikationsarbeiter auf sich gezogen haben.
Ted Mayman, Gegenausbilder des ersten funktionierenden Lasers, 1960.
Lassen Sie uns zunächst die Kohärenz der Strahlung feststellen. Laserlicht ist nahezu monochromatisch (eine Farbe) und divergiert in den Raumzeiten weniger als das Licht des perfektesten Suchscheinwerfers. Die im Nadelstrahl des Lasers konzentrierte Energie ist sehr hoch. Es waren diese und einige andere Eigenschaften des Lasers, die Kommunikationsarbeiter dazu veranlassten, den Laser für die optische Kommunikation einzusetzen.
Die ersten Entwürfe wurden wie folgt zusammengefasst. Wenn man einen Laser als Generator verwendet und seinen Strahl mit einem Nachrichtensignal moduliert, erhält man einen optischen Sender. Indem wir den Strahl auf den Lichtempfänger richten, erhalten wir einen optischen Kommunikationskanal. Keine Drähte, keine Kabel. Die Kommunikation erfolgt über den Raum (offene Laserkommunikation).
Erfahrung mit Lasern in einem wissenschaftlichen Labor
Laborexperimente bestätigten auf brillante Weise die Hypothese der Kommunikationsarbeiter. Und bald bot sich die Gelegenheit, diesen Zusammenhang in der Praxis zu testen.Leider haben sich die Hoffnungen der Signalwärter auf eine offene Laserkommunikation auf der Erde nicht erfüllt: Regen, Schnee und Nebel machten die Kommunikation unsicher und unterbrachen sie oft vollständig.
Es wurde klar, dass informationstragende Lichtwellen von der Atmosphäre abgeschirmt werden müssen. Dies kann mit Hilfe von Wellenleitern erfolgen – dünnen, gleichmäßigen und sehr glatten Metallrohren im Inneren.
Doch Ingenieure und Wirtschaftswissenschaftler erkannten sofort die Schwierigkeiten, absolut glatte und gleichmäßige Wellenleiter herzustellen. Wellenleiter waren teurer als Gold. Anscheinend war das Spiel die Kerze nicht wert.
Sie mussten nach grundlegend neuen Wegen suchen, Weltführer zu erstellen. Es musste darauf geachtet werden, dass die Lichtleiter nicht aus Metall, sondern aus billigem, nicht knappem Rohstoff bestehen. Es hat Jahrzehnte gedauert, optische Fasern zu entwickeln, die zur Informationsübertragung mittels Licht geeignet sind.
Die erste derartige Faser besteht aus hochreinem Glas. Es entstand eine zweischichtige koaxiale Kern-Schale-Struktur. Die Glasarten wurden so gewählt, dass der Kern einen höheren Brechungsindex aufweist als der Mantel.
Nahezu vollständige innere Reflexion im optischen Medium
Doch wie verbindet man verschiedene Gläser so, dass an der Grenze zwischen Kern und Schale keine Defekte entstehen? Wie erreicht man Glätte, Gleichmäßigkeit und gleichzeitig maximale Faserfestigkeit?
Durch die Bemühungen von Wissenschaftlern und Ingenieuren wurde schließlich die gewünschte optische Faser geschaffen. Heute werden durch ihn Lichtsignale über Hunderte und Tausende von Kilometern übertragen. Doch welche Gesetze gelten für die Ausbreitung der Lichtenergie in nichtmetallischen (dielektrischen) leitenden Medien?
Fasermodi
Singlemode- und Multimode-Fasern gehören zu den optischen Fasern, durch die Licht wandert und dabei an der Kern-Mantel-Grenzfläche wiederholte innere Reflexionen erfährt (unter „Mode“ verstehen Experten die Eigenschwingungen des Resonatorsystems).
Die Moden der Faser sind ihre eigenen Wellen, d.h. diejenigen, die vom Kern der Faser erfasst werden und sich entlang der Faser vom Anfang bis zum Ende ausbreiten.
Der Fasertyp wird durch sein Design bestimmt: die Komponenten, aus denen Kern und Mantel bestehen, sowie das Verhältnis der Abmessungen der Faser zur verwendeten Wellenlänge (der letzte Parameter ist besonders wichtig).
Bei Singlemode-Fasern muss der Kerndurchmesser nahe an der natürlichen Wellenlänge liegen. Von den vielen Wellen fängt der Kern der Faser nur eine seiner eigenen Wellen ein. Daher wird die Faser (Lichtleiter) als Singlemode bezeichnet.
Übersteigt der Durchmesser des Kerns die Länge einer bestimmten Welle, ist die Faser in der Lage, mehrere Dutzend oder sogar Hunderte verschiedener Wellen gleichzeitig zu leiten. So funktioniert Multimode-Faser.
Übertragung von Informationen durch Licht über optische Fasern
Licht wird nur von einer geeigneten Quelle in die optische Faser eingekoppelt. Am häufigsten – von einem Laser. Aber nichts ist von Natur aus perfekt. Daher enthält der Laserstrahl trotz seiner inhärenten Monochromatizität immer noch ein bestimmtes Frequenzspektrum, oder anders ausgedrückt, sendet er einen bestimmten Wellenlängenbereich aus.
Was außer einem Laser kann als Lichtquelle für optische Fasern dienen? LEDs mit hoher Helligkeit. Allerdings ist die Richtwirkung der Strahlung bei ihnen deutlich geringer als bei Lasern.Daher wird durch die versengten Dioden zehn- und hundertmal weniger Energie in die Faser eingebracht als durch den Laser.
Wenn ein Laserstrahl auf den Kern der Faser gerichtet wird, trifft jede Welle in einem genau definierten Winkel auf ihn. Dies bedeutet, dass verschiedene Eigenwellen (Moden) für das gleiche Zeitintervall die Faser (vom Anfang bis zum Ende) auf Wegen unterschiedlicher Länge durchlaufen. Das ist Wellenausbreitung.
Und was passiert mit den Signalen? Wenn sie im gleichen Zeitintervall einen anderen Weg in der Faser durchlaufen, können sie verzerrt am Ende der Leitung ankommen. Experten nennen dieses Phänomen Modendispersion.
Der Kern und die Hülle der Faser sind gleich. Wie bereits erwähnt bestehen sie aus Glas mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Und der Brechungsindex jeder Substanz hängt von der Wellenlänge des Lichts ab, das auf die Substanz einwirkt. Daher kommt es zu einer Zerstreuung der Materie, oder mit anderen Worten, zu einer materiellen Zerstreuung.
Wellenlänge, Mode und Materialdispersion sind drei Faktoren, die sich negativ auf die Übertragung von Lichtenergie durch optische Fasern auswirken.
In Singlemode-Fasern gibt es keine Modendispersion. Daher können solche Fasern hundertmal mehr Informationen pro Zeiteinheit übertragen als Multimode-Fasern. Was ist mit der Ausbreitung von Wellen und Materialien?
Bei Singlemode-Fasern wird versucht sicherzustellen, dass sich Wellen- und Materialdispersion unter bestimmten Bedingungen gegenseitig aufheben. Anschließend gelang es, eine solche Faser herzustellen, bei der der negative Effekt der Moden- und Wellendispersion deutlich abgeschwächt wurde. Wie haben Sie es geschafft?
Wir haben das Diagramm der Abhängigkeit der Änderung des Brechungsindex des Fasermaterials mit einer Änderung seines Abstands von der Achse (entlang des Radius) gemäß dem Parabelgesetz ausgewählt. Licht bewegt sich entlang einer solchen Faser, ohne dass an der Kern-Mantel-Grenzfläche mehrere Totalreflexionen auftreten.
Kommunikationsverteilerschrank. Gelbe Kabel sind Singlemode-Fasern, orange und blaue Kabel sind Multimode-Fasern
Die Wege des von der Glasfaser eingefangenen Lichts sind unterschiedlich. Einige Strahlen breiten sich entlang der Achse des Kerns aus und weichen in gleichen Abständen in die eine oder andere Richtung von dieser ab („Schlange“), andere, die in den Ebenen liegen, die die Achse der Faser kreuzen, bilden eine Reihe von Spiralen. Der Radius einiger bleibt konstant, der Radius anderer ändert sich periodisch. Solche Fasern werden Brechungs- oder Gradientenfasern genannt.
Es ist sehr wichtig zu wissen; In welchem Grenzwinkel muss das Licht auf das Ende jedes Lichtwellenleiters gerichtet werden? Dadurch wird bestimmt, wie viel Licht in die Faser eindringt und vom Anfang bis zum Ende der optischen Leitung weitergeleitet wird. Dieser Winkel wird durch die numerische Apertur der Faser (oder einfach: die Apertur) bestimmt.
Optische Kommunikation
FOCL
Als optische Kommunikationsleitungen (FOCL) können optische Fasern, die selbst dünn und zerbrechlich sind, nicht verwendet werden. Fasern werden als Rohstoff für die Herstellung von Lichtwellenleiterkabeln (LWL) verwendet. FOCs werden in verschiedenen Designs, Formen und Zwecken hergestellt.
In puncto Festigkeit und Zuverlässigkeit stehen FOCs ihren metallintensiven Prototypen in nichts nach und können in den gleichen Umgebungen verlegt werden wie Kabel mit metallischen Leitern – in der Luft, unter der Erde, auf dem Grund von Flüssen und Meeren. WOK ist viel einfacher.Wichtig ist, dass FOCs völlig unempfindlich gegenüber elektrischen Störungen und magnetischen Einflüssen sind. Schließlich ist es bei Metallkabeln schwierig, mit solchen Störungen umzugehen.
Optische Kabel der ersten Generation ersetzten in den 1980er und 1990er Jahren erfolgreich Koaxialleitungen zwischen automatischen Telefonzentralen. Die Länge dieser Leitungen betrug nicht mehr als 10-15 km, aber die Bahnwärter atmeten erleichtert auf, als es möglich wurde, alle notwendigen Informationen ohne zwischengeschaltete Regeneratoren zu übertragen.
In den Kommunikationskanälen entstand ein großes Angebot an „Lebensraum“ und das Konzept der „Informationsdichte“ verlor an Relevanz. Leicht, dünn und flexibel genug, ließ sich die LWL problemlos in das bestehende unterirdische Telefon einbauen.
Mit der automatischen Telefonzentrale war es notwendig, einfache Geräte hinzuzufügen, die optische Signale in elektrische (am Eingang der vorherigen Station) und elektrische in optische (am Ausgang der nächsten Station) umwandeln. An allen Vermittlungsanlagen, Teilnehmeranschlüssen und deren Telefonen wurden keine Änderungen vorgenommen. Alles verlief, wie man sagt, billig und fröhlich.
Installation von Glasfaserkabeln in der Stadt
Installation eines optischen Kabels am Träger der Freileitung
Über moderne optische Kommunikationsleitungen werden Informationen nicht in analoger (kontinuierlicher) Form, sondern in diskreter (digitaler) Form übertragen.
Optische Kommunikationsleitungen haben es in den letzten 30 bis 40 Jahren ermöglicht, revolutionäre Veränderungen in den Kommunikationstechnologien durchzuführen und relativ schnell über einen langen Zeitraum dem Problem der „Informationsdichte“ in Informationsübertragungskanälen ein Ende zu setzen.Unter allen Kommunikations- und Übertragungsmitteln nehmen optische Kommunikationsleitungen eine führende Position ein und werden das gesamte 21. Jahrhundert über dominieren.
Zusätzlich:
Das Prinzip der Umwandlung und Übertragung von Informationen über optische Fasern