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TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Glasfaser-Kommunikationsleitung. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum Eine faseroptische Kommunikations-(Übertragungs-)Leitung ist ein faseroptisches System, das aus passiven und aktiven Elementen besteht und zur Übertragung von Informationen im optischen Bereich (normalerweise im nahen Infrarotbereich) ausgelegt ist.
Im XNUMX. Jahrhundert hat die Menschheit einen enormen Sprung in der Entwicklung verschiedener Kommunikationsarten erlebt, insbesondere der Telefonie, des Radios und des Fernsehens. Dank ihnen und auch dank der Entstehung eines satellitengestützten Weltraumkommunikationssystems hat der moderne Mensch eine für frühere Generationen unerreichbare Gelegenheit erhalten, mit den entferntesten und entferntesten Ecken des Planeten zu kommunizieren, alles zu sehen, zu hören und zu wissen, was passiert in der Welt. Bei allen Vorteilen traditioneller Kommunikationsarten hat jede von ihnen jedoch eine Reihe von Nachteilen, die mit zunehmender Menge der übertragenen Informationen immer sensibler werden. Trotz neuester Technik, die die über das Kabel übertragenen Informationen erheblich verdichten kann, sind die Haupttelefonleitungen immer noch oft überlastet. Ungefähr dasselbe gilt für Radio und Fernsehen, in denen Informationssignale mit elektromagnetischen Wellen übertragen werden: Eine ständig wachsende Zahl von Fernsehkanälen und Radiosendern, Rundfunk und Dienst, hat zu einer gegenseitigen Beeinflussung geführt, zu einer Situation, die als „dichte Luft“. Dies war einer der Anstöße für die Entwicklung von immer mehr Kurzwellen-Funkwellenbändern. Es ist bekannt: Je kürzer die zum Senden verwendeten Wellen sind, desto mehr Radiosender passen ohne gegenseitige Beeinflussung in eine gegebene Reichweite (dies ist leicht zu sehen, indem man die Radioeinstellung dreht: Wenn wir auf langen Wellen nur wenige Radiosender empfangen können, dann gibt es auf Kurz- und Ultrakurzwelle schon Dutzende solcher Radiosender und Hunderte, sie sitzen buchstäblich "auf jedem Millimeter"). Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Kommunikationsarten ist, dass es in der Regel unrentabel ist, in den freien Raum abgestrahlte Wellen zur Übertragung von Informationen zu nutzen. Immerhin nimmt die Energie pro einem bestimmten Bereich der Front einer solchen Welle ab, wenn die Wellenfront zunimmt. Bei einer Kugelwelle (d. h. einer Welle, die sich gleichmäßig in alle Richtungen von der Quelle ausbreitet) ist die Dämpfung umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung von der Wellenquelle zum Empfänger. Daher wird in der modernen Funktechnik viel Geld für die Isolierung und Verstärkung eines Nutzsignals aufgewendet. Ein ganz anderes Bild ergäbe sich, wenn die Information durch einen schmalen Richtstrahl oder Strahl gesendet würde. Die Verluste wären in diesem Fall viel geringer. Diese Mängel deuten darauf hin, dass die Menschheit kurz vor einer wichtigen Revolution im Kommunikationssystem steht, die dazu führen wird, dass die Optoelektronik im XNUMX. Jahrhundert zu ihrem Haupttyp wird, der all diese Mängel nicht aufweist. Es wird erwartet, dass bereits in den ersten Jahrzehnten des kommenden Jahrhunderts alle neuen Telefon-, Fernseh- und Computersysteme durch Glasfaserkabel mit Laserstrahlung als Informationsträger verbunden werden. Die Ära der modernen optischen Kommunikation begann 1960 mit der Entwicklung des ersten Lasers. Die Erfindung des Lasers im Allgemeinen ließ die Hoffnung auf eine schnelle und einfache Überwindung der Probleme des „Äther-Crowdings“ aufkommen. Tatsächlich ermöglichte die Verwendung von Mikrowellen sichtbaren Lichts für Kommunikationszwecke anstelle von Zentimeter- und Millimeter-Funkwellen, das Volumen der übertragenen Informationen nahezu unbegrenzt zu erweitern. Beispielsweise hat ein Helium-Neon-Laser-Kommunikationssystem eine Bandbreite, die gleichzeitig etwa eine Million Fernsehkanäle aufnehmen kann. Die ersten Experimente zerstreuten jedoch die rosigen Illusionen. Es stellte sich heraus, dass die Erdatmosphäre optische Strahlung sehr aktiv absorbiert und streut und dass Laser (wenn sich der Strahl direkt durch die Luft ausbreitet) nur über eine sehr kurze Distanz (im Durchschnitt nicht mehr als 1 km) für Kommunikationszwecke eingesetzt werden können. Alle Versuche, diese Schwierigkeit zu überwinden, hatten keinen Erfolg. Dies war der Fall, als 1966 zwei japanische Wissenschaftler, Kao und Hokema, vorschlugen, zur Übertragung des Lichtsignals lange Glasfasern zu verwenden, ähnlich denen, die bereits in der Endoskopie und anderen Bereichen verwendet werden. Ihr Papier legte den Grundstein für die Glasfaserkommunikation. Was ist die Grundlage der Wirkung von Lichtleitern? Aus der Optik ist bekannt, dass wenn ein Lichtstrahl von einem dichteren Medium auf ein weniger dichtes gelenkt wird (z. B. von Wasser oder Glas in Luft), ein erheblicher Teil davon an der Grenze der beiden Medien zurückreflektiert wird . Je kleiner dabei der Einfallswinkel des Strahls ist, desto größer wird der Lichtstrom reflektiert. Experimentell kann man einen so sanften Winkel wählen, bei dem das gesamte Licht reflektiert wird und nur ein unbedeutender Teil davon von einem dichteren Medium in ein weniger dichtes gelangt. In diesem Fall erweist sich das Licht als Gefangener in einem dichten Medium und breitet sich darin aus, wobei es alle seine Biegungen wiederholt. Dieser Effekt des „Lichthaltens“ ist am Beispiel der Ausbreitung von Licht innerhalb eines Wasserstrahls zu sehen, den es nicht verlassen kann und ständig von der Wasser-Luft-Grenze reflektiert wird. Ebenso wird ein Lichtsignal durch eine optische Glasfaser übertragen. Beim Eintritt in das Innere breitet sich der Lichtstrahl in verschiedene Richtungen aus. Strahlen, die unter einem kleinen Winkel zur Grenze zweier Medien laufen, werden von ihr vollständig reflektiert. Somit hält die Hülle sie fest und bietet einen undurchsichtigen Kanal für die Signalübertragung mit nahezu Lichtgeschwindigkeit.
In idealen Lichtleitern aus einem absolut transparenten und homogenen Material sollten sich Lichtwellen ungeschwächt ausbreiten, jedoch absorbieren und streuen fast alle realen Lichtleiter aufgrund ihrer Opazität und Heterogenität elektromagnetische Wellen mehr oder weniger stark. (Absorption erscheint äußerlich als Erwärmung der Faser; Streuung liegt vor, wenn ein Teil der Strahlung die Faser verlässt.) Das Glas, das in Fenstern, Vitrinen und Ferngläsern so transparent erscheint, ist tatsächlich alles andere als gleichmäßig. Dies ist leicht zu erkennen, wenn man durch das Ende der Glasscheibe schaut. In diesem Fall wird sofort seine schwach bläulich-grüne Farbe sichtbar. Studien zeigen, dass diese Färbung durch geringe Mengen an Eisen und Kupfer im Glas verursacht wird. Selbst die reinsten Gläser für astronomische und fotografische Objektive enthalten große Mengen an farbigen Verunreinigungen. Bei den ersten Lichtleitern aus solchem Glas waren die Energieverluste sehr hoch (pro 1 m des Lichtleiters gingen mehr als 50 % des eingestrahlten Lichts verloren). Aber selbst mit dieser Qualität war es möglich, Geräte zu schaffen, die es ermöglichten, Licht durch gekrümmte Kanäle zu übertragen, die Innenflächen von Metallhohlräumen zu beobachten, den Zustand der inneren Organe des menschlichen Körpers zu untersuchen usw. Aber für die Erstellung von Fernmeldeleitungen waren solche Lichtleiter von geringem Nutzen. Es dauerte etwa ein Jahrzehnt, um Laborproben von Glasfasern zu erstellen, die in der Lage sind, 1 % der pro 1 km in sie eingeführten Lichtleistung zu übertragen. Die nächste Aufgabe bestand darin, aus einer solchen Faser ein praxistaugliches Lichtleitkabel herzustellen, Strahlungsquellen und -empfänger zu entwickeln. Die einfachste optische Faser ist ein dünnes Filament aus einem transparenten Dielektrikum. Die übertragenen Lichtwellen breiten sich in kleinen Winkeln zur Achse der Faser aus und erfahren eine totale interne Reflexion von ihrer Oberfläche. Ein solcher Lichtleiter kann jedoch nur in einem Labor verwendet werden, da unter normalen Bedingungen die ungeschützte Glasoberfläche allmählich mit Staubpartikeln bedeckt wird und sich viele Defekte darauf entwickeln: Mikrorisse, Unregelmäßigkeiten, die die Bedingungen für die totale interne Lichtreflexion innerhalb der Faser verletzen , absorbieren und streuen Strahlen sehr stark. An den Berührungspunkten zwischen der optischen Faser und den Trägern, die das ungeschützte Kabel tragen, treten erhebliche zusätzliche Verluste auf.
Eine radikale Änderung der Situation war mit der Schaffung von zweischichtigen Lichtleitern verbunden. Solche Lichtleiter bestanden aus einem von einer transparenten Hülle umgebenen Lichtleiterstrang, dessen Brechungsindex geringer war als der des Stranges. Übersteigt die Dicke der transparenten Hülle mehrere Wellenlängen des übertragenen Lichtsignals, so haben weder Staub noch die Eigenschaften des Mediums außerhalb dieser Hülle einen wesentlichen Einfluss auf den Vorgang der Lichtwellenausbreitung in einem zweischichtigen Lichtleiter. Diese Lichtleiter können mit einem Polymermantel ummantelt und zu einem praxistauglichen Lichtleiterkabel verarbeitet werden. Aber dazu ist es notwendig, eine hohe Perfektion der Grenze zwischen der Ader und der transparenten Hülle zu schaffen. Die einfachste Faserherstellungstechnologie besteht darin, dass der Glaskern in ein eng anliegendes Glasrohr mit niedrigerem Brechungsindex eingesetzt wird. Dann wird diese Struktur erhitzt. 1970 leistete Corning Glass Pionierarbeit bei der Entwicklung von Lichtleitern aus Glas, die für die Übertragung von Lichtsignalen über große Entfernungen geeignet sind. Und Mitte der 70er Jahre entstanden Lichtleiter aus hochreinem Quarzglas, bei denen sich die Lichtstärke erst in 6 km Entfernung halbierte. (Wie transparent ein solches Glas ist, sieht man an folgendem Beispiel: Wenn man sich vorstellt, dass ultraklares optisches Glas mit einer Dicke von 10 km in das Fenster eingesetzt wird, dann lässt es das Licht genauso gut durch wie gewöhnliches Fensterglas von einem Zentimeter Dicke!)
Das faseroptische Kommunikationssystem umfasst neben dem Lichtleiter eine optische Sendereinheit (in der am Systemeingang ankommende elektrische Signale in optische Impulse umgewandelt werden) und eine optische Empfängereinheit (die optische Signale empfängt und in elektrische Impulse umwandelt). . Wenn die Leitung lang ist, werden auch Repeater darauf betrieben – sie empfangen und verstärken die übertragenen Signale. In Vorrichtungen zum Einkoppeln von Strahlung in Lichtleitfasern werden weit verbreitet Linsen verwendet, die einen sehr kleinen Durchmesser und eine Brennweite in der Größenordnung von Hunderten und Zehn Mikrometern haben. Es gibt zwei Arten von Strahlungsquellen: Laser und Leuchtdioden, die als Trägerwellengeneratoren arbeiten. Das übertragene Signal (es kann eine Fernsehsendung, ein Telefongespräch usw. sein) wird wie in der Funktechnik moduliert und der Trägerwelle überlagert. Allerdings ist es wesentlich effizienter, Informationen digital zu übermitteln. Auch hier spielt es keine Rolle, welche Informationen auf diese Weise übermittelt werden: ein Telefongespräch, ein gedruckter Text, Musik, eine Fernsehsendung oder das Bild eines Gemäldes. Der erste Schritt zur Umwandlung eines Signals in digitale Form besteht darin, seine Werte in bestimmten Zeitintervallen zu bestimmen, ein Vorgang, der als Zeitabtastung des Signals bezeichnet wird. Es wurde (sowohl mathematisch als auch praktisch) bewiesen, dass, wenn das Intervall T mindestens zweimal kleiner ist als die höchste im Spektrum des übertragenen Signals enthaltene Frequenz, dieses Signal anschließend ohne jegliche Verzerrung aus einer diskreten Form wiederhergestellt werden kann. Das heißt, anstelle eines kontinuierlichen Signals kann ohne Beeinträchtigung der übertragenen Informationen eine Reihe sehr kurzer Impulse geliefert werden, die sich nur in ihrer Amplitude unterscheiden. Es besteht jedoch keine Notwendigkeit, diese Impulse in genau dieser Form zu übermitteln. Da sie alle das gleiche Aussehen haben und um das gleiche Zeitintervall T gegeneinander verschoben sind, ist es nicht möglich, das gesamte Signal, sondern nur den Wert seiner Amplitude zu übertragen. In unserem Beispiel ist die Amplitude in acht Stufen unterteilt. Das bedeutet, dass der Wert jedes Impulses als Zahl im Binärcode interpretiert werden kann. Der Wert dieser Nummer wird über die Kommunikationsleitung übertragen. Da für die Übertragung jeder Binärzahl – 0 und 1 – nur zwei Ziffern erforderlich sind, ist dies sehr vereinfacht: 0 entspricht dem Fehlen eines Signals und 1 seinem Vorhandensein. In unserem Beispiel dauert die Übertragung jeder Ziffer 1/3 T. Das übertragene Signal wird in umgekehrter Reihenfolge wiederhergestellt. Die Übermittlung eines Signals in digitaler Form ist sehr praktisch, da Verzerrungen und Interferenzen praktisch ausgeschlossen sind.
Das optische Kommunikationssystem ist immer noch relativ teuer, was seine weitverbreitete Einführung behindert, aber es besteht kein Zweifel, dass dies nur ein vorübergehendes Hindernis ist. Ihre Verdienste und Vorteile sind so offensichtlich, dass sie in Zukunft sicherlich eine breite Anwendung finden wird. Erstens sind Glasfaserkabel sehr störsicher und leicht. Sobald die Technologie für ihre Massenproduktion beherrscht wird, könnten sie deutlich günstiger sein als die derzeit verwendeten Elektrokabel, da die Rohstoffe für sie bereits deutlich günstiger sind. Ihr wichtigster Vorteil ist jedoch ihr enormer Durchsatz – in einer Zeiteinheit können so enorme Informationsmengen durch sie geleitet werden, die mit keinem der derzeit bekannten Kommunikationsmethoden übertragen werden können. All diese Eigenschaften sollten faseroptischen Kommunikationsleitungen eine vielseitige Anwendung bieten, vor allem in Computereinheiten (es wurde bereits viel Erfahrung bei der Herstellung von Mikroschaltkreisen gesammelt, die mikroskopisch kleine Lichtleiter verwenden; die Geschwindigkeit solcher Mikroschaltkreise ist etwa 1000-mal höher als die von herkömmliche), im Kabelfernsehen; dann wird es einen Austausch von Telefonkabeln auf Fernleitungen und die Schaffung von Fernsehkabeln geben; In Zukunft sollen all diese Netzwerke zu einem einzigen Informationsnetzwerk zusammengeführt werden. In vielen entwickelten Ländern (vor allem in den USA) wurden bereits viele Telefonleitungen durch Lichtleiter ersetzt. Der Aufbau von städtischen Glasfasernetzen wird praktiziert. So wurde 1976 in der amerikanischen Großstadt Atlanta das urbane digitale Glasfaser-Telefonkommunikationssystem installiert. Autor: Ryzhov K.V.
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