Sistemas de comunicação óptica: propósito, história de criação, vantagens
Como surgiu a conexão elétrica?
Os protótipos dos modernos sistemas de comunicação surgiram no século passado e, no final de seus fios telegráficos, haviam enredado o mundo inteiro. Centenas de milhares de telegramas foram transmitidos por eles e logo o telégrafo parou de lidar com a carga. Os despachos estavam atrasados e ainda não havia comunicação por telefone e rádio de longa distância.
No início do século 20, o tubo de elétrons foi inventado. A tecnologia de rádio começou a se desenvolver rapidamente, as bases da eletrônica foram lançadas. Os sinalizadores aprenderam a transmitir ondas de rádio não apenas pelo espaço (pelo ar), mas também a enviá-las por fios e cabos de comunicação.
O uso de ondas de rádio serviu de base para compactar a parte mais cara e ineficiente dos sistemas de transmissão de informações - dispositivos lineares. Ao comprimir a linha em frequência, no tempo, usando métodos especiais de "empacotamento" de informações, hoje é possível transmitir dezenas de milhares de mensagens diferentes em uma única linha por unidade de tempo. Essa comunicação é chamada de multicanal.
As fronteiras entre os diferentes tipos de comunicação começaram a se confundir. Eles se complementaram harmoniosamente, telégrafo, telefone, rádio e, posteriormente, televisão, retransmissão de rádio e, posteriormente, satélite, as comunicações espaciais foram unidas em um sistema de comunicação elétrica comum.
Tecnologias modernas de comunicação
Rigidez informacional dos canais de comunicação
Ondas com comprimento de 3.000 km a 4 mm atuam nos canais de transmissão de informações. O equipamento está em operação capaz de transmitir 400 megabits por segundo em um canal de comunicação (400 Mbit/s é 400 milhões de bits por segundo). Se pegarmos uma letra nesta ordem por 1 bit, então 400 Mbit formarão uma biblioteca de 500 volumes, cada um com 20 folhas impressas).
Os meios de comunicação elétrica atuais são semelhantes aos seus protótipos do século passado? Praticamente o mesmo que um avião de salto. Apesar de toda a perfeição do equipamento nos canais de comunicação modernos, infelizmente, está muito lotado: muito mais perto do que nos anos 90 do século passado.
Fios de telégrafo em Cincinnati, EUA (início do século 20)
Uma mulher ouve rádio com fones de ouvido, 28 de março de 1923.
Existe uma contradição entre a crescente necessidade de transmissão de informações e as propriedades básicas dos processos físicos atualmente utilizados nos canais de comunicação. Para diluir a "densidade de informação", é preciso conquistar ondas cada vez mais curtas, ou seja, dominar frequências cada vez mais altas. A natureza das oscilações eletromagnéticas é tal que quanto maior sua frequência, mais informações por unidade de tempo podem ser transmitidas pelo canal de comunicação.
Mas com todas as maiores dificuldades que os comunicadores enfrentam: com a diminuição da onda, os ruídos internos (intrínsecos) dos aparelhos receptores aumentam acentuadamente, a potência dos geradores diminui e a eficiência diminui significativamente. transmissores, e de toda a eletricidade consumida, apenas uma pequena parte é convertida em energia útil de ondas de rádio.
O transformador de saída do circuito de transmissão de tubo da estação de rádio Nauen na Alemanha com um alcance de mais de 20.000 quilômetros (outubro de 1930)
As primeiras comunicações de rádio UHF foram estabelecidas entre o Vaticano e a residência de verão do Papa Pio XI, em 1933.
Ondas ultracurtas (UHF) perdem sua energia catastroficamente rapidamente ao longo do caminho. Portanto, os sinais de mensagem têm que ser amplificados e regenerados (restaurados) com muita frequência, temos que recorrer a equipamentos complexos e caros. A comunicação na faixa centimétrica das ondas de rádio, sem falar na faixa milimétrica, enfrenta inúmeros obstáculos.
Desvantagens dos canais de comunicação elétricos
Quase todas as comunicações elétricas modernas são multicanais. Para transmitir em um canal de 400 Mbit / s, você precisa trabalhar na faixa do decimímetro das ondas de rádio. Isso só é possível na presença de equipamentos muito complexos e, claro, um cabo especial de alta frequência (coaxial), que consiste em um ou mais pares coaxiais.
Em cada par, os condutores externo e interno são cilindros coaxiais. Dois desses pares podem transmitir simultaneamente 3.600 chamadas telefônicas ou vários programas de TV. Neste caso, porém, os sinais devem ser amplificados e regenerados a cada 1,5 km.
Um elegante sinaleiro na década de 1920
Os canais de comunicação são dominados por linhas de cabo. Eles são protegidos de influências externas, distúrbios elétricos e magnéticos. Os cabos são duráveis e confiáveis em operação, são convenientes para serem colocados em diferentes ambientes.
No entanto, a produção de cabos e fios de comunicação consome mais da metade da produção mundial de metais não ferrosos, cujas reservas estão diminuindo rapidamente.
O metal está ficando mais caro. E a produção de cabos, principalmente os coaxiais, é um negócio complexo e extremamente intensivo em energia. E a necessidade deles está crescendo. Portanto, não é difícil imaginar quais são os custos para a construção de linhas de comunicação e sua operação.
Instalação de uma linha de cabos em Nova York, 1888.
A rede de comunicação é a estrutura mais espetacular e cara que o homem já criou na Terra. Como desenvolvê-lo ainda mais, se já na década de 50 do século XX ficou claro que as telecomunicações se aproximavam do limiar de sua viabilidade econômica?
Conclusão da Linha Telefônica Transcontinental, Wendover, Utah, 1914.
Para eliminar "a densidade de informação nos canais de comunicação, era necessário aprender a usar as faixas ópticas das oscilações eletromagnéticas. Afinal, as ondas de luz têm milhões de vezes mais vibrações do que o VHF.
Se fosse criado um canal de comunicação óptica, seria possível transmitir simultaneamente vários milhares de programas de televisão e muito mais chamadas telefónicas e emissões de rádio.
A tarefa parecia assustadora. Mas no caminho para sua solução, uma espécie de labirinto de problemas surgiu diante dos cientistas e sinaleiros. Séculos XX ninguém sabia como superá-lo.
"Televisão e Rádio Soviética" — exposição no parque "Sokolniki", Moscou, 5 de agosto de 1959.
lasers
Em 1960, uma incrível fonte de luz foi criada - um laser ou gerador quântico óptico (LQG). Este dispositivo tem propriedades únicas.
É impossível falar sobre o princípio de operação e o dispositivo de vários lasers em um pequeno artigo. Já havia um artigo detalhado sobre lasers em nosso site: O dispositivo e o princípio de operação dos lasers… Aqui nos limitamos a enumerar apenas as características do laser que atraíram a atenção dos trabalhadores da comunicação.
Ted Mayman, contra-instrutor do primeiro laser funcional, 1960.
Em primeiro lugar, vamos estabelecer a coerência da radiação. A luz do laser é quase monocromática (uma cor) e diverge no espaço vezes menos que a luz do holofote mais perfeito. A energia concentrada no feixe de agulha do laser é muito alta. Foram essas e algumas outras propriedades do laser que levaram os trabalhadores da comunicação a usar o laser para comunicação óptica.
Os primeiros rascunhos foram resumidos da seguinte forma. Se você usar um laser como gerador e modular seu feixe com um sinal de mensagem, obterá um transmissor óptico. Direcionando o feixe para o receptor de luz, obtemos um canal de comunicação óptica. Sem fios, sem cabos. A comunicação será através do espaço (comunicação a laser aberta).
Experiência com lasers em um laboratório de ciências
Experimentos de laboratório confirmaram brilhantemente a hipótese dos trabalhadores da comunicação. E logo surgiu a oportunidade de testar essa relação na prática.Infelizmente, as esperanças dos sinaleiros de comunicação aberta a laser na Terra não se concretizaram: chuva, neve, neblina tornavam a comunicação incerta e muitas vezes a cortavam completamente.
Tornou-se óbvio que as ondas de luz que transportam informações devem ser protegidas pela atmosfera. Isso pode ser feito com a ajuda de guias de onda - tubos de metal finos, uniformes e muito lisos no interior.
Mas engenheiros e economistas reconheceram imediatamente as dificuldades envolvidas em fazer guias de onda absolutamente suaves e uniformes. Os guias de onda eram mais caros que o ouro. Aparentemente, o jogo não valia a pena.
Eles tiveram que procurar maneiras fundamentalmente novas de criar guias mundiais. Era preciso garantir que os guias de luz não fossem feitos de metal, mas de alguma matéria-prima barata e não escassa. Demorou décadas para desenvolver fibras ópticas adequadas para transmitir informações usando luz.
A primeira dessas fibras é feita de vidro ultrapuro. Foi criado um núcleo coaxial de duas camadas e uma estrutura de casca. Os tipos de vidro foram escolhidos para que o núcleo tenha um índice de refração maior que o revestimento.
Reflexão interna quase total no meio óptico
Mas como conectar vidros diferentes para que não haja defeitos no limite entre o núcleo e a casca? Como conseguir maciez, uniformidade e ao mesmo tempo máxima resistência da fibra?
Através dos esforços de cientistas e engenheiros, a desejada fibra óptica foi finalmente criada. Hoje, sinais de luz são transmitidos por centenas e milhares de quilômetros através dele. Mas quais são as leis de propagação da energia luminosa em meios condutores não metálicos (dielétricos)?
modos de fibra
As fibras monomodo e multimodo pertencem às fibras ópticas através das quais a luz viaja, experimentando atos de reflexão interna repetida na interface núcleo-revestimento (os especialistas se referem às oscilações naturais do sistema ressonador por "modo").
Os modos da fibra são suas próprias ondas, ou seja, aqueles que são capturados pelo núcleo da fibra e se espalham ao longo da fibra do início ao fim.
O tipo de fibra é determinado pelo seu design: os componentes dos quais o núcleo e o revestimento são feitos, bem como a relação entre as dimensões da fibra e o comprimento de onda usado (o último parâmetro é especialmente importante).
Nas fibras monomodo, o diâmetro do núcleo deve estar próximo ao comprimento de onda natural. Das muitas ondas, o núcleo da fibra capta apenas uma de suas próprias ondas. Portanto, a fibra (guia de luz) é chamada de monomodo.
Se o diâmetro do núcleo exceder o comprimento de uma determinada onda, a fibra poderá conduzir várias dezenas ou até centenas de ondas diferentes ao mesmo tempo. É assim que a fibra multimodo funciona.
Transmissão de informações por luz através de fibras ópticas
A luz é injetada na fibra óptica apenas de uma fonte apropriada. Muitas vezes — de um raio laser. Mas nada é perfeito por natureza. Portanto, o feixe de laser, apesar de sua monocromaticidade inerente, ainda contém um determinado espectro de frequência, ou seja, emite uma determinada faixa de comprimentos de onda.
O que além de um laser pode servir como fonte de luz para fibras ópticas? LEDs de alto brilho. No entanto, a diretividade da radiação neles é muito menor que a dos lasers.Portanto, dezenas e centenas de vezes menos energia é introduzida na fibra pelos diodos chamuscados do que pelo laser.
Quando um feixe de laser é direcionado ao núcleo da fibra, cada onda a atinge em um ângulo estritamente definido. Isso significa que diferentes auto-ondas (modos) para o mesmo intervalo de tempo passam pelos caminhos da fibra (do início ao fim) de diferentes comprimentos. Isso é dispersão de onda.
E o que acontece com os sinais? Passando por um caminho diferente na fibra pelo mesmo intervalo de tempo, eles podem chegar ao final da linha de forma distorcida.Os especialistas chamam esse fenômeno de modo de dispersão.
O núcleo e a bainha da fibra são semelhantes. já mencionado, eles são feitos de vidro com diferentes índices de refração. E o índice de refração de qualquer substância depende do comprimento de onda da luz que afeta a substância. Portanto, há uma dispersão da matéria, ou seja, uma dispersão material.
Comprimento de onda, modo, dispersão de material são três fatores que afetam negativamente a transmissão de energia luminosa através de fibras ópticas.
Não há dispersão de modo em fibras monomodo. Portanto, essas fibras podem transmitir centenas de vezes mais informações por unidade de tempo do que as fibras multimodo. E as dispersões de ondas e materiais?
Nas fibras monomodo, são feitas tentativas para garantir que, sob certas condições, as dispersões de onda e material se anulem. Posteriormente, foi possível criar tal fibra, onde o efeito negativo do modo e da dispersão das ondas foi significativamente enfraquecido. Como você conseguiu isso?
Selecionamos o gráfico da dependência da mudança no índice de refração do material de fibra com uma mudança em sua distância do eixo (ao longo do raio) de acordo com a lei parabólica. A luz viaja ao longo de tal fibra sem experimentar múltiplos atos de reflexão total na interface núcleo-revestimento.
Gabinete de distribuição de comunicação. Cabos amarelos são fibras monomodo, cabos laranja e azuis são fibras multimodo
Os caminhos da luz captados pela fibra óptica são diferentes. Alguns raios se espalham ao longo do eixo do núcleo, desviando-se dele em uma direção ou outra em distâncias iguais ("cobra"), outros que se encontram nos planos que cruzam o eixo da fibra formam um conjunto de espirais. O raio de alguns permanece constante, os raios de outros mudam periodicamente. Essas fibras são chamadas refrativas ou gradientes.
É muito importante saber; em que ângulo limite a luz deve ser direcionada para a extremidade de cada fibra óptica. Isso determina quanta luz entrará na fibra e será conduzida do início ao fim da linha óptica. Este ângulo é determinado pela abertura numérica da fibra (ou simplesmente — a abertura).
comunicação óptica
FOCL
Como linhas de comunicação óptica (FOCL), as fibras ópticas, elas próprias finas e frágeis, não podem ser utilizadas. As fibras são utilizadas como matéria-prima para a produção de cabos de fibra ótica (FOC). FOCs são produzidos em uma variedade de designs, formas e finalidades.
Em termos de resistência e confiabilidade, os FOCs não são inferiores aos seus protótipos intensivos em metal e podem ser colocados nos mesmos ambientes que os cabos com condutores metálicos - no ar, no subsolo, no fundo dos rios e mares. WOK é muito mais fácil.É importante ressaltar que os FOCs são completamente insensíveis a distúrbios elétricos e influências magnéticas. Afinal, é difícil lidar com tamanha interferência em cabos metálicos.
Cabos ópticos de primeira geração nas décadas de 1980 e 1990 substituíram com sucesso as rodovias coaxiais entre centrais telefônicas automáticas. O comprimento dessas linhas não ultrapassava 10-15 km, mas os sinaleiros deram um suspiro de alívio quando foi possível transmitir todas as informações necessárias sem regeneradores intermediários.
Uma grande oferta de "espaço vital" apareceu nos canais de comunicação e o conceito de "estresse da informação" perdeu sua relevância. Leve, fino e flexível o suficiente, o FOC foi instalado sem dificuldade no telefone subterrâneo existente.
Com a central telefónica automática foi necessário adicionar equipamentos simples que convertem os sinais ópticos em eléctricos (na entrada da estação anterior) e eléctricos em ópticos (na saída para a próxima estação). Todos os equipamentos de comutação, linhas de assinantes e seus telefones não sofreram alterações. Tudo acabou, como dizem, barato e alegre.
Instalação de cabo de fibra óptica na cidade
Instalação de cabo óptico no suporte da linha aérea de transmissão
Através de modernas linhas de comunicação óptica, as informações são transmitidas não na forma analógica (contínua), mas na forma discreta (digital).
Linhas de comunicação óptica, elas permitiram nos últimos 30-40 anos realizar transformações revolucionárias nas tecnologias de comunicação e de forma relativamente rápida por um longo período de tempo para acabar com o problema de "estanqueidade da informação" nos canais de transmissão de informação.Entre todos os meios de comunicação e transmissão, a informação, as linhas de comunicação óptica ocupam uma posição de destaque e dominarão ao longo do século XXI.
Adicionalmente:
O princípio de conversão e transmissão de informações em fibras ópticas