Sistem komunikasi optik: tujuan, sejarah penciptaan, keuntungan
Bagaimana sambungan listrik terjadi?
Prototipe sistem komunikasi modern muncul pada abad terakhir dan pada akhir kabel telegraf mereka telah menjerat seluruh dunia. Ratusan ribu telegram dikirimkan melalui mereka, dan segera telegraf berhenti menangani beban tersebut. Pengiriman tertunda dan masih belum ada komunikasi telepon dan radio jarak jauh.
Pada awal abad ke-20, tabung elektron ditemukan. Teknologi radio mulai berkembang pesat, dasar-dasar elektronik diletakkan. Pemberi sinyal telah belajar mengirimkan gelombang radio tidak hanya melalui ruang (melalui udara), tetapi juga mengirimkannya melalui kabel dan melalui kabel komunikasi.
Penggunaan gelombang radio berfungsi sebagai dasar untuk memadatkan bagian sistem transmisi informasi yang paling mahal dan tidak efisien - perangkat linier. Dengan mengompresi garis dalam frekuensi, dalam waktu, menggunakan metode khusus untuk "mengemas" informasi, saat ini dimungkinkan untuk mengirimkan puluhan ribu pesan berbeda pada satu baris per unit waktu. Komunikasi semacam itu disebut multisaluran.
Batasan antara berbagai jenis komunikasi mulai kabur. Mereka saling melengkapi secara harmonis, telegraf, telepon, radio, dan kemudian televisi, relai radio, dan kemudian satelit, komunikasi ruang angkasa disatukan dalam sistem komunikasi listrik yang sama.
Teknologi komunikasi modern
Keketatan informasi saluran komunikasi
Gelombang dengan panjang 3000 km hingga 4 mm bekerja di saluran transmisi informasi. Peralatan yang beroperasi mampu mentransmisikan 400 megabit per detik melalui saluran komunikasi (400 Mbit / s adalah 400 juta bit per detik). Jika kita mengambil surat dalam urutan ini untuk 1 bit, maka 400 Mbit akan menjadi perpustakaan 500 volume, masing-masing dengan 20 lembar cetakan).
Apakah alat komunikasi listrik saat ini mirip dengan prototipe mereka dari abad terakhir? Hampir sama dengan pesawat show jumping. Terlepas dari semua kesempurnaan peralatan dalam saluran komunikasi modern, sayangnya, itu terlalu ramai: lebih dekat daripada tahun 90-an abad lalu.
Kabel telegraf di Cincinnati, AS (awal abad ke-20)
Seorang wanita mendengarkan radio melalui headphone, 28 Maret 1923.
Ada kontradiksi antara meningkatnya kebutuhan akan transmisi informasi dan sifat dasar dari proses fisik yang saat ini digunakan dalam saluran komunikasi. Untuk mencairkan "kepadatan informasi", gelombang yang lebih pendek dan lebih pendek perlu ditaklukkan, yaitu menguasai frekuensi yang semakin tinggi. Sifat osilasi elektromagnetik sedemikian rupa sehingga semakin tinggi frekuensinya, semakin banyak informasi per satuan waktu yang dapat ditransmisikan melalui saluran komunikasi.
Tetapi dengan semua kesulitan yang lebih besar yang harus dihadapi komunikator: dengan penurunan gelombang, suara internal (intrinsik) perangkat penerima meningkat tajam, daya generator berkurang, dan efisiensi menurun secara signifikan. pemancar, dan dari semua listrik yang dikonsumsi, hanya sebagian kecil yang diubah menjadi energi gelombang radio yang berguna.
Trafo keluaran sirkuit transmisi tabung stasiun radio Nauen di Jerman dengan jangkauan lebih dari 20.000 kilometer (Oktober 1930)
Komunikasi radio UHF pertama didirikan antara Vatikan dan kediaman musim panas Paus Pius XI, 1933.
Gelombang ultra pendek (UHF) kehilangan energinya dengan sangat cepat di sepanjang jalan. Oleh karena itu, sinyal pesan harus diperkuat dan dibuat ulang (dipulihkan) terlalu sering, kita harus menggunakan peralatan yang rumit dan mahal. Komunikasi dalam rentang sentimeter gelombang radio, apalagi rentang milimeter, menghadapi banyak kendala.
Kerugian dari saluran komunikasi listrik
Hampir semua komunikasi listrik modern adalah multisaluran. Untuk mentransmisikan pada saluran 400 Mbit / s, Anda harus bekerja dalam rentang gelombang radio desimimeter. Ini hanya mungkin jika ada peralatan yang sangat kompleks dan, tentu saja, kabel frekuensi tinggi (koaksial) khusus, yang terdiri dari satu atau lebih pasangan koaksial.
Di setiap pasangan, konduktor luar dan dalam adalah silinder koaksial. Dua pasangan tersebut dapat mengirimkan 3.600 panggilan telepon atau beberapa program TV secara bersamaan. Namun, dalam hal ini, sinyal harus diperkuat dan dibuat ulang setiap 1,5 km.
Seorang petugas sinyal bergaya di tahun 1920-an
Saluran komunikasi didominasi oleh jalur kabel. Mereka dilindungi dari pengaruh eksternal, gangguan listrik dan magnet. Kabelnya tahan lama dan andal dalam pengoperasiannya, nyaman untuk dipasang di lingkungan yang berbeda.
Namun, produksi kabel dan kabel komunikasi menghabiskan lebih dari separuh produksi logam non-besi dunia, yang cadangannya menyusut dengan cepat.
Logam menjadi lebih mahal. Dan produksi kabel, terutama yang koaksial, adalah bisnis yang kompleks dan sangat intensif energi. Dan kebutuhan akan mereka semakin meningkat. Oleh karena itu, tidak sulit membayangkan berapa biaya pembangunan jalur komunikasi dan pengoperasiannya.
Pemasangan jalur kabel di New York, 1888.
Jaringan komunikasi adalah struktur paling spektakuler dan mahal yang pernah dibuat manusia di Bumi. Bagaimana mengembangkannya lebih jauh, jika sudah di tahun 50-an abad XX terlihat jelas bahwa telekomunikasi sudah mendekati ambang kelayakan ekonominya?
Penyelesaian Saluran Telepon Lintas Benua, Wendover, Utah, 1914.
Untuk menghilangkan "kepadatan informasi dalam saluran komunikasi, perlu mempelajari cara menggunakan rentang optik osilasi elektromagnetik. Lagi pula, gelombang cahaya memiliki getaran jutaan kali lebih banyak daripada VHF.
Jika saluran komunikasi optik dibuat, dimungkinkan untuk secara bersamaan mengirimkan beberapa ribu program televisi dan lebih banyak lagi panggilan telepon dan siaran radio.
Tugas itu tampak menakutkan. Namun dalam perjalanan menuju solusinya, semacam labirin masalah muncul di hadapan para ilmuwan dan petugas sinyal. Abad XX tidak ada yang tahu bagaimana mengatasinya.
"Soviet Television and Radio" — pameran di taman "Sokolniki", Moskow, 5 Agustus 1959.
Laser
Pada tahun 1960, sumber cahaya yang luar biasa diciptakan - laser atau generator kuantum optik (LQG). Perangkat ini memiliki sifat unik.
Tidak mungkin untuk menceritakan tentang prinsip operasi dan perangkat berbagai laser dalam sebuah artikel pendek. Sudah ada artikel mendetail tentang laser di situs web kami: Perangkat dan prinsip pengoperasian laser… Di sini kami membatasi diri untuk menyebutkan hanya fitur-fitur laser yang telah menarik perhatian para pekerja komunikasi.
Ted Mayman, instruktur tandingan laser kerja pertama, 1960.
Pertama-tama, mari kita nyatakan koherensi radiasi. Cahaya laser hampir monokromatik (satu warna) dan menyimpang dalam waktu ruang kurang dari cahaya lampu sorot yang paling sempurna. Energi yang terkonsentrasi pada sinar jarum laser sangat tinggi. Inilah dan beberapa sifat laser lainnya yang mendorong pekerja komunikasi untuk menggunakan laser untuk komunikasi optik.
Draf pertama diringkas sebagai berikut. Jika Anda menggunakan laser sebagai generator dan memodulasi pancarannya dengan sinyal pesan, Anda mendapatkan pemancar optik. Mengarahkan pancaran ke penerima cahaya, kami mendapatkan saluran komunikasi optik. Tidak ada kabel, tidak ada kabel. Komunikasi akan melalui ruang (komunikasi laser terbuka).
Pengalaman dengan laser di lab sains
Eksperimen laboratorium dengan cemerlang mengkonfirmasi hipotesis pekerja komunikasi. Dan segera ada kesempatan untuk menguji hubungan ini dalam praktik.Sayangnya, harapan pemberi sinyal untuk komunikasi laser terbuka di Bumi tidak terwujud: hujan, salju, kabut membuat komunikasi tidak pasti dan seringkali terputus sama sekali.
Menjadi jelas bahwa gelombang cahaya yang membawa informasi harus dilindungi oleh atmosfer. Ini dapat dilakukan dengan bantuan pandu gelombang - tabung logam tipis, seragam, dan sangat halus di dalamnya.
Tetapi para insinyur dan ekonom segera mengenali kesulitan yang terlibat dalam membuat pandu gelombang yang benar-benar mulus dan rata. Waveguides lebih mahal daripada emas. Rupanya permainan itu tidak sebanding dengan lilinnya.
Mereka harus mencari cara baru yang fundamental untuk membuat panduan dunia. Harus dipastikan bahwa pemandu cahaya tidak terbuat dari logam, tetapi dari bahan mentah yang murah dan tidak langka. Butuh waktu puluhan tahun untuk mengembangkan serat optik yang cocok untuk mentransmisikan informasi menggunakan cahaya.
Serat pertama terbuat dari kaca ultra-murni. Inti koaksial dua lapis dan struktur cangkang telah dibuat. Jenis kaca dipilih agar inti memiliki indeks bias yang lebih tinggi daripada kelongsong.
Refleksi internal hampir total dalam media optik
Namun bagaimana cara menyambungkan kaca yang berbeda agar tidak ada cacat pada batas antara inti dan cangkang? Bagaimana mencapai kehalusan, keseragaman dan pada saat yang sama kekuatan serat maksimum?
Melalui upaya para ilmuwan dan insinyur, serat optik yang diinginkan akhirnya tercipta. Saat ini, sinyal cahaya ditransmisikan melaluinya selama ratusan dan ribuan kilometer. Tapi apa hukum perambatan energi cahaya pada media penghantar non-logam (dielektrik)?
Mode serat
Serat single-mode dan multimode milik serat optik yang dilalui cahaya, mengalami tindakan refleksi internal berulang pada antarmuka kelongsong inti (para ahli mengartikan osilasi alami sistem resonator dengan "mode").
Mode serat adalah gelombangnya sendiri, mis. yang ditangkap oleh inti serat dan menyebar sepanjang serat dari awal sampai akhir.
Jenis serat ditentukan oleh desainnya: komponen dari mana inti dan kelongsong dibuat, serta rasio dimensi serat dengan panjang gelombang yang digunakan (parameter terakhir sangat penting).
Dalam serat mode tunggal, diameter inti harus mendekati panjang gelombang alami. Dari sekian banyak gelombang, inti serat hanya menangkap satu gelombangnya sendiri. Oleh karena itu, serat (panduan cahaya) disebut mode tunggal.
Jika diameter inti melebihi panjang gelombang tertentu, maka serat tersebut mampu menghantarkan beberapa puluh bahkan ratusan gelombang yang berbeda sekaligus. Beginilah cara kerja serat multimode.
Transmisi informasi oleh cahaya melalui serat optik
Cahaya disuntikkan ke dalam serat optik hanya dari sumber yang sesuai. Paling sering — dari laser. Tapi tidak ada yang sempurna secara alami. Oleh karena itu, sinar laser, meskipun monokromatisitasnya melekat, masih mengandung spektrum frekuensi tertentu, atau dengan kata lain, memancarkan rentang panjang gelombang tertentu.
Apa selain laser yang bisa berfungsi sebagai sumber cahaya untuk serat optik? LED kecerahan tinggi. Namun, arah radiasi di dalamnya jauh lebih kecil daripada laser.Oleh karena itu, puluhan dan ratusan kali lebih sedikit energi yang dimasukkan ke dalam serat oleh dioda hangus dibandingkan dengan laser.
Ketika sinar laser diarahkan ke inti serat, setiap gelombang menghantamnya pada sudut yang ditentukan secara ketat. Ini berarti bahwa gelombang eigen (mode) yang berbeda untuk interval waktu yang sama melewati jalur serat (dari awal hingga akhir) dengan panjang yang berbeda. Ini adalah dispersi gelombang.
Dan apa yang terjadi pada sinyal? Melewati jalur yang berbeda dalam serat untuk interval waktu yang sama, mereka dapat mencapai ujung garis dalam bentuk yang terdistorsi.Para ahli menyebut fenomena ini sebagai mode dispersi.
Inti dan selubung seratnya seperti. telah disebutkan, mereka terbuat dari kaca dengan indeks bias yang berbeda. Dan indeks bias suatu zat tergantung pada panjang gelombang cahaya yang mempengaruhi zat tersebut. Oleh karena itu, terjadi dispersi materi, atau dengan kata lain dispersi materi.
Panjang gelombang, mode, dispersi material adalah tiga faktor yang secara negatif mempengaruhi transmisi energi cahaya melalui serat optik.
Tidak ada dispersi mode dalam serat mode tunggal. Oleh karena itu, serat semacam itu dapat mengirimkan informasi ratusan kali lebih banyak per satuan waktu daripada serat multimode. Bagaimana dengan dispersi gelombang dan material?
Dalam serat mode tunggal, upaya dilakukan untuk memastikan bahwa, dalam kondisi tertentu, dispersi gelombang dan material saling meniadakan. Selanjutnya, dimungkinkan untuk membuat serat seperti itu, di mana efek negatif dari mode dan dispersi gelombang melemah secara signifikan. Bagaimana Anda mengelolanya?
Kami memilih grafik ketergantungan perubahan indeks bias bahan serat dengan perubahan jaraknya dari sumbu (sepanjang radius) menurut hukum parabola. Cahaya berjalan di sepanjang serat seperti itu tanpa mengalami beberapa aksi refleksi total pada antarmuka kelongsong inti.
Kabinet distribusi komunikasi. Kabel kuning adalah serat mode tunggal, kabel oranye dan biru adalah serat multimode
Jalur cahaya yang ditangkap oleh serat optik berbeda. Beberapa sinar menyebar di sepanjang sumbu inti, menyimpang darinya ke satu arah atau lainnya pada jarak yang sama ("ular"), yang lain terletak di bidang yang melintasi sumbu serat membentuk satu set spiral. Jari-jari beberapa tetap konstan, jari-jari lainnya berubah secara berkala. Serat semacam itu disebut bias atau gradien.
Sangat penting untuk diketahui; pada sudut pembatas berapa cahaya harus diarahkan ke ujung setiap serat optik. Ini menentukan berapa banyak cahaya yang akan masuk ke serat dan dilakukan dari awal hingga akhir garis optik. Sudut ini ditentukan oleh bukaan numerik dari serat (atau cukup - bukaan).
Komunikasi optik
FOCL
Karena jalur komunikasi optik (FOCL), serat optik, yang tipis dan rapuh, tidak dapat digunakan. Serat digunakan sebagai bahan baku untuk produksi kabel serat optik (FOC). FOC diproduksi dalam berbagai desain, bentuk, dan tujuan.
Dalam hal kekuatan dan keandalan, FOC tidak kalah dengan prototipe intensif logamnya dan dapat diletakkan di lingkungan yang sama dengan kabel dengan konduktor logam - di udara, bawah tanah, di dasar sungai dan laut. WOK jauh lebih mudah.Yang penting, FOC sama sekali tidak sensitif terhadap gangguan listrik dan pengaruh magnetik. Lagi pula, sulit untuk mengatasi gangguan seperti itu pada kabel logam.
Kabel optik generasi pertama pada 1980-an dan 1990-an berhasil menggantikan jalan raya koaksial antara pertukaran telepon otomatis. Panjang jalur ini tidak melebihi 10-15 km, tetapi petugas sinyal menghela nafas lega ketika dimungkinkan untuk mengirimkan semua informasi yang diperlukan tanpa regenerator perantara.
Pasokan besar "ruang hidup" muncul di saluran komunikasi, dan konsep "keketatan informasi" kehilangan relevansinya. Ringan, tipis, dan cukup fleksibel, FOC dipasang tanpa kesulitan di telepon bawah tanah yang ada.
Dengan pertukaran telepon otomatis, perlu ditambahkan peralatan sederhana yang mengubah sinyal optik menjadi listrik (pada input dari stasiun sebelumnya) dan listrik menjadi optik (pada output ke stasiun berikutnya). Semua peralatan switching, saluran pelanggan dan telepon mereka tidak mengalami perubahan apapun. Semuanya ternyata, seperti kata mereka, murah dan ceria.
Pemasangan kabel fiber optic dalam kota
Pemasangan kabel optik pada dukungan saluran transmisi overhead
Melalui jalur komunikasi optik modern, informasi ditransmisikan tidak dalam bentuk analog (kontinu), tetapi dalam bentuk diskrit (digital).
Jalur komunikasi optik, mereka memungkinkan dalam 30-40 tahun terakhir untuk melakukan transformasi revolusioner dalam teknologi komunikasi dan relatif cepat untuk jangka waktu yang lama untuk mengakhiri masalah "keketatan informasi" dalam saluran transmisi informasi.Di antara semua sarana komunikasi dan transmisi, informasi, jalur komunikasi optik menempati posisi terdepan dan akan mendominasi sepanjang abad XXI.
Sebagai tambahan: