光通信系統：目的、創建歷史、優勢
電氣連接是如何產生的？
現代通信系統的原型出現在上個世紀，到它們的電報線結束時，已將整個世界糾纏在一起。數十萬封電報通過它們傳送，很快電報就無法應付負載了。調度被延遲，仍然沒有長途電話和無線電通信。
20世紀初，發明了電子管。無線電技術開始迅速發展，奠定了電子學的基礎。信號員學會了不僅通過空間（通過空氣）傳輸無線電波，而且還通過電線和通信電纜發送無線電波。
無線電波的使用是壓縮信息傳輸系統中最昂貴和效率最低的部分 - 線性設備的基礎。通過在頻率上及時壓縮線路，使用“打包”信息的特殊方法，今天可以在每單位時間內在一條線路上傳輸數万條不同的消息。這種通信稱為多通道。
不同類型通信之間的界限開始變得模糊。它們相得益彰，電報、電話、收音機，以及後來的電視、無線電中繼，以及後來的衛星、空間通信都統一在一個共同的電氣通信系統中。
現代通信技術
溝通渠道的信息緊密度
3000公里至4毫米長的波在信息傳輸通道中起作用。該設備在運行時能夠通過通信通道每秒傳輸 400 兆比特（400 兆比特/秒是每秒 4 億比特）。如果我們按照這個順序取一個字母 1 位，那麼 400 Mbit 將構成一個 500 冊的圖書館，每冊有 20 張印張）。
當前的電子通信方式是否與上個世紀的原型相似？幾乎與表演跳傘飛機相同。儘管現代通信渠道的設備非常完善，但還是太擁擠了：比上個世紀 90 年代要近得多。
美國辛辛那提的電報線（20 世紀初）
1923 年 3 月 28 日，一位女士戴著耳機收聽廣播。
不斷增長的信息傳輸需求與當前通信信道中使用的物理過程的基本屬性之間存在矛盾。要稀釋“信息密度”，就要征服越來越短的波，也就是掌握越來越高的頻率。電磁振蕩的性質是頻率越高，每單位時間可以通過通信信道傳輸的信息越多。
但是隨著通信者必鬚麵對的所有更大的困難：隨著波的減少，接收設備的內部（固有）噪聲急劇增加，發生器的功率降低，效率顯著降低。發射器和所有消耗的電力中，只有一小部分被轉換為有用的無線電波能量。
射程超過2萬公里的德國瑙恩無線電台電子管傳輸電路的輸出變壓器（1930年10月）
1933 年，第一次 UHF 無線電通信在梵蒂岡和教皇庇護十一世的夏宮之間建立。
超短波 (UHF) 在此過程中會災難性地迅速失去能量。因此，消息信號不得不經常被放大和再生（恢復），我們不得不求助於復雜而昂貴的設備。無線電波的厘米範圍內的通信，更不用說毫米範圍內的通信，面臨著許多障礙。
電氣通信渠道的缺點
幾乎所有的現代電子通信都是多通道的。要在 400 Mbit/s 信道上傳輸，您需要在無線電波的分米範圍內工作。這只有在存在非常複雜的設備，當然還有由一個或多個同軸對組成的特殊高頻（同軸）電纜的情況下才有可能。
在每一對中，外導體和內導體都是同軸圓柱體。兩個這樣的對可以同時傳輸 3,600 個電話或幾個電視節目。然而，在這種情況下，信號必須每 1.5 公里被放大和再生一次。
20 年代時尚的信號員
通信渠道以電纜線路為主。它們免受外部影響、電和磁干擾。電纜經久耐用，運行可靠，便於不同環境的敷設。
然而，電纜和通訊電線的產量佔世界有色金屬產量的一半以上，而有色金屬的儲量正在迅速減少。
金屬變得越來越貴。電纜的生產，尤其是同軸電纜的生產，是一項複雜且耗能極高的業務。對它們的需求正在增長。因此，不難想像通信線路的建設和運營的成本是多少。
1888 年在紐約安裝電纜線路。
通信網絡是人類在地球上創造的最壯觀、最昂貴的結構。如何進一步發展它，如果已經在二十世紀 50 年代，很明顯電信正在接近其經濟可行性的門檻？
橫貫大陸的電話線竣工，猶他州溫多弗，1914 年。
為了消除“通信通道中的信息密度，有必要學習如何使用電磁振蕩的光學範圍。畢竟，光波的振動頻率是 VHF 的數百萬倍。
如果創建光通信信道，則可以同時傳輸數千個電視節目以及更多的電話和無線電廣播。
這項任務似乎令人生畏。但是在解決它的過程中，科學家和信號員面前出現了一種迷宮般的問題。二十世紀沒有人知道如何克服它。
“蘇聯電視和廣播”——1959 年 8 月 5 日在莫斯科“Sokolniki”公園舉辦的展覽。
激光
1960 年，一種驚人的光源誕生了——激光或光量子發生器 (LQG)。該設備具有獨特的屬性。
不可能在一篇簡短的文章中講述各種激光器的工作原理和設備。我們的網站上已經有一篇關於激光的詳細文章： 激光器的裝置和工作原理……在這裡，我們僅限於列舉那些引起通信工作者註意的激光特性。
Ted Mayman，第一台工作激光器的副講師，1960 年。
首先，讓我們說明輻射的相干性。激光幾乎是單色的（一種顏色），並且在時空中的發散小於最完美的探照燈的光。集中在激光針束中的能量非常高。正是激光的這些和其他一些特性促使通信工作者使用激光進行光通信。
初稿總結如下。如果你使用激光作為發生器並用信息信號調製它的光束，你就會得到一個光發射器。將光束引導至光接收器，我們得到一個光通信通道。沒有電線，沒有電纜。通信將通過空間（開放式激光通信）進行。
在科學實驗室使用激光的經驗
實驗室實驗出色地證實了通信工作者的假設。很快就有機會在實踐中檢驗這種關係。不幸的是，信號員在地球上開放激光通信的希望並沒有實現：雨、雪、霧使通信變得不確定，而且常常完全中斷。
很明顯，攜帶信息的光波必須被大氣層屏蔽。這可以在波導的幫助下完成——波導內部是薄、均勻且非常光滑的金屬管。
但是工程師和經濟學家立即認識到製造絕對光滑甚至波導所涉及的困難。波導比黃金還貴。顯然，這場比賽不值一提。
他們必須尋找創建世界指南的全新方法。必須確保光導不是金屬製成的，而是一些廉價的、不稀缺的原材料。開發適合使用光傳輸信息的光纖花了幾十年的時間。
第一種這樣的纖維是由超純玻璃製成的。創建了一個雙層同軸核殼結構。選擇玻璃類型，使纖芯的折射率高於包層。
在光學介質中幾乎全內反射
但是如何連接不同的玻璃才能使核殼邊界處沒有缺陷呢？如何實現平滑、均勻並同時獲得最大的纖維強度？
經過科學家和工程師們的努力，最終製成了理想中的光纖。今天，光信號通過它傳輸了數百和數千公里。但是光能在非金屬（電介質）導電介質上的傳播規律是什麼？
光纖模式
單模和多模光纖屬於光傳播的光纖，在纖芯-包層界面經歷反复的內反射行為（專家指的是諧振系統的“模”的自然振盪）。
光纖的模式是它自己的波，即那些被纖維的核心捕獲並沿著纖維從頭到尾傳播的那些。
光纖的類型由其設計決定：構成纖芯和包層的組件，以及光纖尺寸與所用波長的比率（最後一個參數尤為重要）。
在單模光纖中，纖芯直徑必須接近自然波長。在眾多波中，光纖的纖芯僅捕獲其自身的一個波。因此，光纖（光導）稱為單模。
如果纖芯的直徑超過某個波的長度，那麼光纖就能夠同時傳導數十個甚至數百個不同的波。這就是多模光纖的工作原理。
光通過光纖傳輸信息
光只能從適當的光源射入光纖。最常見的是——來自激光。但沒有什麼是天生完美的。因此，激光束儘管具有固有的單色性，但仍包含一定的頻譜，或者換句話說，發射一定範圍的波長。
除了激光器還有什麼可以作為光纖的光源？高亮度 LED。但是，它們中輻射的方向性遠小於激光。因此，與激光相比，燒焦的二極管引入光纖的能量要少數十和數百倍。
當激光束射向光纖的纖芯時，每個波都以嚴格定義的角度撞擊它。這意味著相同時間間隔的不同特徵波（模式）通過不同長度的光纖（從開始到結束）路徑。這就是波的色散。
警報會怎樣？在相同的時間間隔內通過光纖中的不同路徑，它們可以以扭曲的形式到達線路的末端，專家稱這種現象為模式色散。
纖維的芯和鞘很像。已經提到，它們由具有不同折射率的玻璃製成。任何物質的折射率都取決於影響該物質的光的波長。因此，存在物質的彌散，或者說物質的彌散。
波長、模式、材料色散是對光能通過光纖傳輸產生負面影響的三個因素。
單模光纖中沒有模式色散。因此，這種光纖每單位時間可以傳輸比多模光纖多數百倍的信息。波和材料的色散怎麼樣？
在單模光纖中，人們試圖確保在某些條件下，波和材料色散相互抵消。隨後，有可能製造出這樣一種光纖，其中模式和波色散的負面影響被顯著削弱。你是怎麼做到的？
根據拋物線定律，我們選擇了光纖材料折射率變化與其距軸（沿半徑）的距離變化的依賴關係圖。光沿著這種光纖傳播，而不會在纖芯-包層界面處經歷多次全反射。
通訊配電櫃。黃色電纜是單模光纖，橙色和藍色電纜是多模光纖
光纖捕獲的光的路徑是不同的。一些光線沿著纖芯的軸傳播，在一個方向或另一個方向以相等的距離（“蛇形”）偏離纖芯，其他光線位於與光纖軸交叉的平面中，形成一組螺旋線。一些的半徑保持不變，另一些的半徑週期性變化。這種纖維稱為折射或梯度。
知道這一點非常重要；光必須以什麼限制角度被引導到每根光纖的末端。這決定了有多少光將進入光纖並從光線路的起點傳導到終點。該角度由光纖的數值孔徑（或簡稱為孔徑）決定。
光通信
FOCL
作為光通信線路 (FOCL)，不能使用本身很細且易碎的光纖。纖維用作生產光纜 (FOC) 的原材料。 FOC 有多種設計、形狀和用途。
在強度和可靠性方面，FOC 並不遜色於其金屬密集型原型，並且可以鋪設在與金屬導體電纜相同的環境中——空中、地下、河流和海底。炒鍋要容易得多。重要的是，FOC 對電干擾和磁影響完全不敏感。畢竟金屬線纜很難應對這種干擾。
第一代光纜在 80 年代和 90 年代成功地取代了自動電話交換機之間的同軸電纜。這些線路的長度不超過 10-15 公里，但當無需中間再生器即可傳輸所有必要信息時，信號員鬆了一口氣。
傳播渠道出現大量“生存空間”，“信息緊縮”概念失去意義。 FOC 輕、薄且足夠靈活，可以毫不費力地舖設在現有的地下電話中。
對於自動電話交換機，有必要添加簡單的設備，將光信號轉換為電信號（在前一站的輸入端）和電信號轉換為光信號（在下一站的輸出端）。所有交換設備、用戶線路及其電話都沒有發生任何變化。正如他們所說，一切都變得廉價而愉快。
城市光纜鋪設
架空輸電線路支架上光纜的安裝
通過現代光通信線路，信息不是以模擬（連續）形式傳輸，而是以離散（數字）形式傳輸。
光通信線路，他們允許在過去的 30-40 年內進行通信技術的革命性變革，並在很長一段時間內相對較快地結束了信息傳輸通道中的“信息緊張”問題。在所有通信和傳輸方式中，信息、光通信線路佔據主導地位，並將主導整個二十一世紀。
此外：