Systèmes de communication optique : but, histoire de la création, avantages
Comment s'est fait le raccordement électrique ?
Les prototypes des systèmes de communication modernes sont apparus au siècle dernier et à la fin de leurs fils télégraphiques avaient empêtré le monde entier. Des centaines de milliers de télégrammes ont été transmis par eux, et bientôt le télégraphe a cessé de faire face à la charge. Les expéditions ont été retardées et il n'y avait toujours pas de communication téléphonique et radio longue distance.
Au début du XXe siècle, le tube électronique est inventé. La technologie radio a commencé à se développer rapidement, les bases de l'électronique ont été posées. Les signaleurs ont appris à transmettre des ondes radio non seulement dans l'espace (dans les airs), mais aussi à les envoyer sur des fils et des câbles de communication.
L'utilisation des ondes radio a servi de base au compactage de la partie la plus coûteuse et la plus inefficace des systèmes de transmission d'informations - les dispositifs linéaires. En compressant la ligne en fréquence, en temps, en utilisant des méthodes particulières de « conditionnement » de l'information, il est aujourd'hui possible de transmettre des dizaines de milliers de messages différents sur une seule ligne par unité de temps. Une telle communication est appelée multicanal.
Les frontières entre les différents types de communication ont commencé à s'estomper. Ils se complétaient harmonieusement, télégraphe, téléphone, radio, et plus tard télévision, relais radio, et plus tard satellite, les communications spatiales étaient unies dans un système de communication électrique commun.
Technologies de communication modernes
Étanchéité informationnelle des canaux de communication
Des ondes d'une longueur de 3000 km à 4 mm travaillent dans les canaux de transmission d'informations. L'équipement est en fonctionnement capable de transmettre 400 mégabits par seconde sur un canal de communication (400 Mbit/s soit 400 millions de bits par seconde). Si nous prenons une lettre dans cet ordre pour 1 bit, alors 400 Mbit constitueront une bibliothèque de 500 volumes, chacun avec 20 feuilles imprimées).
Les moyens de communication électrique actuels ressemblent-ils à leurs prototypes du siècle dernier ? À peu près la même chose qu'un avion de saut d'obstacles. Malgré toute la perfection de l'équipement des canaux de communication modernes, hélas, il est trop encombré: beaucoup plus proche que dans les années 90 du siècle dernier.
Fils télégraphiques à Cincinnati, États-Unis (début du XXe siècle)
Une femme écoute la radio avec des écouteurs, le 28 mars 1923.
Il existe une contradiction entre le besoin croissant de transmission d'informations et les propriétés fondamentales des processus physiques actuellement utilisés dans les canaux de communication. Afin de diluer la "densité d'information", il faut conquérir des ondes de plus en plus courtes, c'est-à-dire maîtriser des fréquences de plus en plus hautes. La nature des oscillations électromagnétiques est telle que plus leur fréquence est élevée, plus d'informations par unité de temps peuvent être transmises sur le canal de communication.
Mais avec toutes les difficultés plus grandes auxquelles les communicateurs doivent faire face: avec une diminution de l'onde, les bruits internes (intrinsèques) des appareils de réception augmentent fortement, la puissance des générateurs diminue et l'efficacité diminue considérablement. émetteurs, et de toute l'électricité consommée, seule une petite partie est convertie en énergie utile des ondes radio.
Le transformateur de sortie du circuit de transmission à tubes de la station radio de Nauen en Allemagne avec une portée de plus de 20 000 kilomètres (octobre 1930)
Les premières communications radio UHF ont été établies entre le Vatican et la résidence d'été du pape Pie XI, 1933.
Les ondes ultra courtes (UHF) perdent leur énergie de manière catastrophique rapidement en cours de route. Par conséquent, les signaux des messages doivent être amplifiés et régénérés (restaurés) trop souvent et nous devons recourir à des équipements complexes et coûteux. La communication dans la gamme centimétrique des ondes radio, sans parler de la gamme millimétrique, se heurte à de nombreux obstacles.
Inconvénients des canaux de communication électriques
Presque toutes les communications électriques modernes sont multicanaux. Pour émettre sur un canal à 400 Mbit/s, il faut travailler dans la gamme décimométrique des ondes radio. Cela n'est possible qu'en présence d'un équipement très complexe et, bien sûr, d'un câble spécial haute fréquence (coaxial), composé d'une ou plusieurs paires coaxiales.
Dans chaque paire, les conducteurs extérieur et intérieur sont des cylindres coaxiaux. Deux de ces paires peuvent transmettre simultanément 3 600 appels téléphoniques ou plusieurs programmes télévisés. Dans ce cas, cependant, les signaux doivent être amplifiés et régénérés tous les 1,5 km.
Un signaleur élégant dans les années 1920
Les canaux de communication sont dominés par les lignes câblées. Ils sont protégés des influences extérieures, des perturbations électriques et magnétiques. Les câbles sont durables et fiables en fonctionnement, ils sont pratiques pour la pose dans différents environnements.
Or, la production de câbles et de fils de communication accapare plus de la moitié de la production mondiale de métaux non ferreux, dont les réserves s'amenuisent rapidement.
Le métal devient plus cher. Et la production de câbles, notamment coaxiaux, est une activité complexe et extrêmement énergivore. Et leur besoin est grandissant. Par conséquent, il n'est pas difficile d'imaginer quels sont les coûts de construction des lignes de communication et de leur exploitation.
Installation d'une ligne de câble à New York, 1888.
Le réseau de communication est la structure la plus spectaculaire et la plus coûteuse que l'homme ait jamais créée sur Terre. Comment le développer davantage, si déjà dans les années 50 du XXe siècle, il devenait clair que les télécommunications approchaient du seuil de sa faisabilité économique?
Achèvement de la ligne téléphonique transcontinentale, Wendover, Utah, 1914.
Pour éliminer "la densité d'informations dans les canaux de communication, il a fallu apprendre à utiliser les plages optiques des oscillations électromagnétiques. Après tout, les ondes lumineuses ont des millions de fois plus de vibrations que la VHF.
Si un canal de communication optique était créé, il serait possible de transmettre simultanément plusieurs milliers de programmes de télévision et beaucoup plus d'appels téléphoniques et d'émissions de radio.
La tâche semblait ardue. Mais sur le chemin de sa solution, une sorte de labyrinthe de problèmes s'est posé devant les scientifiques et les signaleurs. XX siècles, personne ne savait comment le surmonter.
"Télévision et radio soviétiques" - exposition dans le parc "Sokolniki", Moscou, 5 août 1959.
Laser
En 1960, une source de lumière étonnante a été créée - un laser ou un générateur quantique optique (LQG). Cet appareil a des propriétés uniques.
Il est impossible de parler du principe de fonctionnement et du dispositif de divers lasers dans un court article. Il y avait déjà un article détaillé sur les lasers sur notre site : Le dispositif et le principe de fonctionnement des lasers… Ici, nous nous limitons à énumérer uniquement les caractéristiques du laser qui ont attiré l'attention des professionnels de la communication.
Ted Mayman, contre-instructeur du premier laser fonctionnel, 1960.
Précisons tout d'abord la cohérence du rayonnement. La lumière laser est presque monochromatique (une couleur) et diverge dans l'espace fois moins que la lumière du projecteur le plus parfait. L'énergie concentrée dans le faisceau d'aiguilles du laser est très élevée. Ce sont ces propriétés et quelques autres du laser qui ont incité les travailleurs des communications à utiliser le laser pour la communication optique.
Les premières ébauches ont été résumées comme suit. Si vous utilisez un laser comme générateur et modulez son faisceau avec un signal de message, vous obtenez un émetteur optique. En dirigeant le faisceau vers le récepteur de lumière, nous obtenons un canal de communication optique. Pas de fils, pas de câbles. La communication se fera par l'espace (communication laser ouverte).
Expérience avec les lasers dans un laboratoire scientifique
Des expériences en laboratoire ont brillamment confirmé l'hypothèse des travailleurs de la communication. Et bientôt il y avait une occasion de tester cette relation dans la pratique.Malheureusement, les espoirs des signaleurs pour une communication laser ouverte sur Terre ne se sont pas réalisés: la pluie, la neige, le brouillard ont rendu la communication incertaine et l'ont souvent complètement coupée.
Il est devenu évident que les ondes lumineuses porteuses d'informations doivent être protégées par l'atmosphère. Cela peut être fait à l'aide de guides d'ondes - des tubes métalliques fins, uniformes et très lisses à l'intérieur.
Mais les ingénieurs et les économistes ont immédiatement reconnu les difficultés liées à la fabrication de guides d'ondes absolument lisses et réguliers. Les guides d'ondes étaient plus chers que l'or. Apparemment, le jeu n'en valait pas la chandelle.
Ils ont dû chercher des moyens fondamentalement nouveaux de créer des guides du monde. Il fallait s'assurer que les guides de lumière n'étaient pas en métal, mais en une matière première bon marché et non rare. Il a fallu des décennies pour développer des fibres optiques adaptées à la transmission d'informations à l'aide de la lumière.
La première de ces fibres est constituée de verre ultra-pur. Une structure de noyau et de coque coaxiale à deux couches a été créée. Les types de verre ont été choisis de manière à ce que le cœur ait un indice de réfraction plus élevé que la gaine.
Réflexion interne presque totale dans le milieu optique
Mais comment connecter différents verres pour qu'il n'y ait pas de défauts à la frontière entre le noyau et la coque ? Comment obtenir douceur, uniformité et en même temps une résistance maximale des fibres ?
Grâce aux efforts de scientifiques et d'ingénieurs, la fibre optique souhaitée a finalement été créée. Aujourd'hui, les signaux lumineux sont transmis sur des centaines et des milliers de kilomètres à travers elle. Mais quelles sont les lois de propagation de l'énergie lumineuse sur des milieux conducteurs non métalliques (diélectriques) ?
Modes fibre
Les fibres monomodes et multimodes appartiennent aux fibres optiques à travers lesquelles la lumière se déplace, subissant des actes de réflexion interne répétés à l'interface cœur-gaine (les experts entendent les oscillations naturelles du système résonateur par "mode").
Les modes de la fibre sont ses propres ondes, c'est-à-dire ceux qui sont captés par le cœur de la fibre et répartis le long de la fibre de son début à sa fin.
Le type de fibre est déterminé par sa conception : les composants qui composent le cœur et la gaine, ainsi que le rapport des dimensions de la fibre à la longueur d'onde utilisée (ce dernier paramètre est particulièrement important).
Dans les fibres monomodes, le diamètre du coeur doit être proche de la longueur d'onde naturelle. Parmi les nombreuses ondes, le cœur de la fibre ne capte qu'une seule de ses propres ondes. Par conséquent, la fibre (guide de lumière) est dite monomode.
Si le diamètre du noyau dépasse la longueur d'une certaine onde, alors la fibre est capable de conduire plusieurs dizaines voire centaines d'ondes différentes à la fois. C'est ainsi que fonctionne la fibre multimode.
Transmission d'informations par la lumière à travers des fibres optiques
La lumière est injectée dans la fibre optique uniquement à partir d'une source appropriée. Le plus souvent - à partir d'un laser. Mais rien n'est parfait par nature. Par conséquent, le faisceau laser, malgré sa monochromaticité inhérente, contient toujours un certain spectre de fréquences, ou, en d'autres termes, émet une certaine gamme de longueurs d'onde.
Quoi d'autre qu'un laser peut servir de source de lumière pour les fibres optiques ? LED haute luminosité. Cependant, la directivité du rayonnement qu'ils contiennent est beaucoup plus faible que celle des lasers.Par conséquent, des dizaines et des centaines de fois moins d'énergie sont introduites dans la fibre par les diodes roussies que par le laser.
Lorsqu'un faisceau laser est dirigé vers le cœur de la fibre, chaque onde le frappe selon un angle strictement défini. Cela signifie que différentes ondes propres (modes) pour le même intervalle de temps traversent la fibre (de son début à sa fin) par des chemins de longueurs différentes. C'est la dispersion des ondes.
Et que deviennent les signaux ? En passant par un chemin différent dans la fibre pendant le même intervalle de temps, ils peuvent atteindre la fin de la ligne sous une forme déformée.Les experts appellent ce phénomène la dispersion modale.
L'âme et la gaine de la fibre se ressemblent. déjà mentionnés, ils sont en verre avec des indices de réfraction différents. Et l'indice de réfraction de toute substance dépend de la longueur d'onde de la lumière qui affecte la substance. Il y a donc une dispersion de matière, ou en d'autres termes, une dispersion de matière.
La longueur d'onde, le mode, la dispersion des matériaux sont trois facteurs qui affectent négativement la transmission de l'énergie lumineuse à travers les fibres optiques.
Il n'y a pas de dispersion modale dans les fibres monomodes. Par conséquent, ces fibres peuvent transmettre des centaines de fois plus d'informations par unité de temps que les fibres multimodes. Qu'en est-il des dispersions d'ondes et de matériaux ?
Dans les fibres monomodes, on cherche à faire en sorte que, dans certaines conditions, les dispersions d'onde et de matière s'annulent. Par la suite, il a été possible de créer une telle fibre, où l'effet négatif du mode et de la dispersion des ondes a été considérablement affaibli. Comment l'avez-vous géré ?
Nous avons sélectionné le graphique de la dépendance de la variation de l'indice de réfraction du matériau fibreux avec une variation de sa distance à l'axe (le long du rayon) selon la loi parabolique. La lumière se déplace le long d'une telle fibre sans subir de multiples actes de réflexion totale à l'interface cœur-gaine.
Armoire de distribution de communication. Les câbles jaunes sont des fibres monomodes, les câbles orange et bleu sont des fibres multimodes
Les trajets de la lumière captée par la fibre optique sont différents. Certains rayons se propagent le long de l'axe de l'âme, s'en écartant dans un sens ou dans l'autre à distances égales ("serpent"), d'autres se trouvant dans les plans traversant l'axe de la fibre forment un ensemble de spirales. Le rayon de certains reste constant, les rayons des autres changent périodiquement. Ces fibres sont appelées réfringentes ou gradient.
Il est très important de savoir; à quel angle limite la lumière doit-elle être dirigée vers l'extrémité de chaque fibre optique. Cela détermine la quantité de lumière qui entrera dans la fibre et sera conduite du début à la fin de la ligne optique. Cet angle est déterminé par l'ouverture numérique de la fibre (ou simplement - l'ouverture).
Communications optiques
OFCL
En tant que lignes de communication optiques (FOCL), les fibres optiques, elles-mêmes fines et fragiles, ne peuvent pas être utilisées. Les fibres sont utilisées comme matière première pour la production de câbles à fibres optiques (FOC). Les FOC sont produits dans une variété de conceptions, de formes et d'objectifs.
En termes de résistance et de fiabilité, les FOC ne sont pas inférieurs à leurs prototypes à forte intensité de métal et peuvent être posés dans les mêmes environnements que les câbles à conducteurs métalliques - dans les airs, sous terre, au fond des rivières et des mers. WOK est beaucoup plus facile.Il est important de noter que les FOC sont totalement insensibles aux perturbations électriques et aux influences magnétiques. Après tout, il est difficile de gérer de telles interférences dans les câbles métalliques.
Les câbles optiques de première génération dans les années 1980 et 1990 ont remplacé avec succès les autoroutes coaxiales entre les centraux téléphoniques automatiques. La longueur de ces lignes ne dépassait pas 10-15 km, mais les signaleurs ont poussé un soupir de soulagement lorsqu'il est devenu possible de transmettre toutes les informations nécessaires sans régénérateurs intermédiaires.
Une offre importante "d'espace de vie" est apparue dans les canaux de communication, et le concept d'"étanchéité de l'information" a perdu de sa pertinence. Léger, fin et suffisamment souple, le FOC s'est posé sans difficulté dans le téléphone souterrain existant.
Avec le central téléphonique automatique, il a fallu ajouter un équipement simple qui convertit les signaux optiques en électriques (à l'entrée de la station précédente) et électriques en optique (à la sortie de la station suivante). Tous les équipements de commutation, les lignes d'abonnés et leurs téléphones n'ont subi aucune modification. Tout s'est avéré, comme on dit, bon marché et joyeux.
Installation de câble à fibre optique dans la ville
Installation de câble optique sur le support de la ligne aérienne de transmission
Grâce aux lignes de communication optiques modernes, les informations ne sont pas transmises sous forme analogique (continue), mais sous forme discrète (numérique).
Lignes de communication optiques, elles ont permis au cours des 30-40 dernières années d'effectuer des transformations révolutionnaires dans les technologies de communication et relativement rapidement pendant une longue période de temps pour mettre fin au problème de "l'étanchéité de l'information" dans les canaux de transmission de l'information.Parmi tous les moyens de communication et de transmission, l'information, les lignes de communication optiques occupent une place prépondérante et domineront tout au long du XXIe siècle.
En outre:
Le principe de conversion et de transmission des informations sur les fibres optiques