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技术历史、技术、我们身边的事物
光纤通信线路。 发明和生产的历史
光纤通信（传输）线是由无源和有源元件组成的光纤系统，设计用于在光学（通常是近红外）范围内传输信息。
XNUMX世纪，人类见证了各种通信方式，尤其是电话、广播和电视的发展，实现了巨大飞跃。 多亏了他们，也多亏了卫星空间通信系统的出现，现代人获得了前几代人无法获得的机会，可以与地球上最遥远的角落进行交流，看到、听到和了解一切发生在世界上。 然而，尽管具有传统通信类型的所有优点，但它们中的每一种都有许多缺点，随着传输信息量的增加，这些缺点变得越来越敏感。 尽管采用了最新技术，可以显着压缩通过电缆传输的信息，但主要电话线仍然经常过载。 广播和电视也差不多，信息信号是通过电磁波传输的：电视频道和广播电台、广播和服务的数量不断增加，导致出现相互干扰，这种情况称为“拥挤的空气”。 这是发展越来越多的短波无线电波段的动力之一。 众所周知：用于广播的波越短，在给定范围内可以容纳的不相互干扰的电台就越多（通过旋转电台设置很容易看到：如果我们只能在长波上捕捉到几个电台，那么已经有几十个这样的短波和超短波广播电台和数百个，它们实际上是“每毫米都坐”）。 传统通信类型的另一个缺点是使用辐射到自由空间的波来传输信息通常是无利可图的。 毕竟，这样的波前一定面积的能量随着波前的增加而减少。 对于球面波（即从波源向所有方向均匀传播的波），衰减与波源到接收器的距离的平方成反比。 因此，现代无线电技术在隔离和放大有用信号上花费了大量资金。 如果信息是由狭窄的定向光束或光束发送的，情况将完全不同。 在这种情况下，损失会少得多。 这些缺点表明，人类正处于通信系统的重要革命的边缘，这将导致XNUMX世纪光电子学将成为其主要类型，而没有所有这些缺点。 预计在下个世纪的前几十年，所有新的电话、电视和计算机系统都将通过使用激光辐射作为信息载体的光缆连接起来。 现代光通信时代始于 1960 年第一台激光器的诞生。 总的来说，激光的发明带来了快速轻松地克服“以太拥挤”问题的希望。 事实上，使用可见光的微米波代替厘米和毫米无线电波来满足通信需求，几乎可以无限地扩大传输信息的数量。 例如，氦氖激光通信系统的带宽可以同时容纳大约一百万个电视频道。 然而，第一次实验驱散了美好的幻想。 事实证明，地球大气层非常活跃地吸收和散射光辐射，并且激光（如果光束直接通过空气传播）只能在非常短的距离（平均不超过 1 公里）内用于通信需求。尝试未能成功克服这一困难。 1966 年，两位日本科学家 Kao 和 Hokema 提出使用长玻璃纤维（类似于内窥镜和其他领域已经使用的玻璃纤维）来传输光信号。 他们的论文为光纤通信奠定了基础。 光导的作用原理是什么？ 众所周知，如果光束从密度较大的介质射向密度较小的介质（例如，从水或玻璃射入空气），那么它的很大一部分会从两种介质的边界反射回来. 在这种情况下，光束的入射角越小，反射的光束就越多。 通过实验，人们可以选择这样一个平缓的角度，使所有的光都被反射，只有微不足道的一部分从密度较大的介质进入密度较小的介质。 在这种情况下，光就像是在稠密介质中的囚徒，并在其中传播，重复其所有弯曲。 这种“保留光”的效果可以在光在水射流内传播的例子中观察到，它不能离开，不断地从水和空气的边界反射。 同样，光信号通过玻璃光纤传输。 进入其中，光束向不同方向传播。 以小角度传播到两种介质边界的光线被它完全反射。 因此，外壳牢固地固定住它们，为几乎光速的信号传输提供了一个不透明的通道。
在由绝对透明且均质的材料制成的理想光导中，光波应该在不减弱的情况下传播，但几乎所有真实的光导由于其不透明性和异质性而或多或少强烈地吸收和散射电磁波。 （吸收在外部表现为光纤的加热；散射是在一些辐射离开光纤时发生的。）窗户、展示柜和双筒望远镜中看起来如此透明的玻璃实际上远非均匀。 通过观察平板玻璃的末端很容易注意到这一点。 在这种情况下，其淡淡的蓝绿色立即变得可见。 研究表明，这种颜色是由玻璃中的少量铁和铜引起的。 即使是用于天文和摄影镜头的最纯净的眼镜也含有大量有色杂质。 在由这种玻璃制成的第一批光导中，能量损失非常高（每 1 米光导损失了超过 50% 的引入其中的光）。 然而，即使具有这种品质，也有可能制造出能够通过弯曲通道传输光、观察金属腔内表面、研究人体内部器官状态等的设备。 但对于主干通信线路的创建，这种光导几乎没有用处。 制造光纤的实验室样品花了大约十年的时间，每 1 公里能够传输 1% 的光功率。 下一个任务是用这种光纤制造适合实际使用的光导电缆，以开发辐射源和接收器。 最简单的光纤是透明电介质的细丝。 传输的光波以小角度传播到光纤的轴，并从其表面经历全内反射。 但是这样的光导只能在实验室中使用，因为在正常情况下，未受保护的玻璃表面逐渐被灰尘颗粒覆盖，其上会出现许多缺陷：微裂纹、违反光纤内部光全内反射条件的不规则性，非常强烈地吸收和散射光线。 显着的附加损耗发生在光纤和支撑未受保护电缆的支架之间的接触点。
这种情况的根本变化与两层光导的创建有关。 这种光导由封装在透明护套中的光导股线组成，其折射率低于股线的折射率。 如果透明外壳的厚度超过透射光信号的几个波长，那么无论是灰尘还是外壳外介质的特性，都不会对光波在两层光导中的传播过程产生显着影响。 这些光导可以涂上聚合物护套，变成适合实际应用的光导电缆。 但为此，有必要在静脉和透明外壳之间创建高度完美的边界。 制造光导的最简单技术是将玻璃棒芯插入紧密配合的具有较低折射率的玻璃管中。 然后加热这个结构。 1970 年，康宁玻璃率先开发出适合长距离传输光信号的玻璃光导。 到 70 年代中期，超纯石英玻璃导光板问世，其中的光强度仅在 6 公里处减半。 （从下面的例子可以看出这种玻璃有多透明：如果你想象将10公里厚的超白光学玻璃插入窗户，那么它会像一厘米厚的普通窗户玻璃一样透光！）
除了光导之外，光纤通信系统还包括光发射单元（其中到达系统输入的电信号被转换为光脉冲）和光接收单元（接收光信号并将其转换为电脉冲） 。 如果线路很长，中继器也会对其进行操作 - 它们接收并放大传输的信号。 在将辐射输入光纤的装置中，广泛使用透镜，透镜具有非常小的直径和数百和数十微米数量级的焦距。 辐射源可以有两种类型：激光器和发光二极管，它们用作载波发生器。 传输的信号（可以是电视广播、电话交谈等）以与无线电工程相同的方式调制并叠加在载波上。 然而，以数字方式传输信息要高效得多。 在这种情况下，以这种方式传输什么信息根本不重要：电话交谈、印刷文本、音乐、电视节目或绘画图像。 将信号转换为数字形式的第一步是确定其在特定时间间隔的值，这个过程称为信号的时间采样。 已经证明（数学上和实践上），如果间隔 T 至少比传输信号频谱中包含的最高频率小 2 倍，则该信号随后可以从离散形式恢复而不会产生任何失真。 也就是说，在不影响所传输信息的情况下，可以提供一组非常短的脉冲，而不是连续信号，这些脉冲彼此之间仅在幅度上有所不同。 但没有必要以这种形式传输这些脉冲。 由于它们都具有相同的外观并且相对于彼此偏移相同的时间间隔T，所以不可能传输整个信号，而仅传输其幅度值。 在我们的示例中，幅度分为八个级别。 这意味着每个脉冲的值可以解释为二进制代码中的数字。 该数字的值通过通信线路传输。 由于传输每个二进制数只需要两位数字 - 0 和 1，因此非常简单：0 对应于信号不存在，1 对应于信号存在。 在我们的示例中，每个数字的传输需要 1/3 T。传输的信号以相反的顺序恢复。 以数字形式提交信号非常方便，因为它几乎消除了任何失真和干扰。
光通信系统仍然相对昂贵，这阻碍了其广泛采用，但毫无疑问，这只是暂时的障碍。 它的优点和优点非常明显，将来肯定会得到广泛使用。 首先，光纤电缆具有很强的抗干扰性，而且重量轻。 一旦掌握了大规模生产的技术，它们可能会比目前使用的电缆便宜得多，因为它们的原材料已经便宜得多。 但它们最重要的优点是它们具有巨大的吞吐量——在单位时间内，可以通过它们传递如此大量的信息，而这是目前任何已知的通信方法都无法传输的。 所有这些品质都应该为光纤通信线路提供多方面的应用，主要是在计算机单元中（在创建使用微观光导的微电路方面已经积累了很多经验；这种微电路的速度大约是 1000 倍。传统的），在有线电视中； 然后将更换干线上的电话电缆并创建电视电缆； 未来，预计将所有这些网络合并为一个单一的信息网络。 在许多发达国家（主要是在美国），许多电话通信线路已经被光导取代。 城市光纤网络的创建正在实践中。 因此，1976 年，在美国大城市亚特兰大安装了城市数字光纤电话通信系统。 作者：Ryzhov K.V.
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