光通信系统：目的、创建历史、优势
电气连接是如何产生的？
现代通信系统的原型出现在上个世纪，到它们的电报线结束时，已将整个世界纠缠在一起。数十万封电报通过它们传送，很快电报就无法应付负荷了。调度被延迟，仍然没有长途电话和无线电通信。
20世纪初，发明了电子管。无线电技术开始迅速发展，奠定了电子学的基础。信号员学会了不仅通过空间（通过空气）传输无线电波，而且还通过电线和通信电缆发送无线电波。
无线电波的使用是压缩信息传输系统中最昂贵和效率最低的部分 - 线性设备的基础。通过在频率上及时压缩线路，使用“打包”信息的特殊方法，今天可以在每单位时间内在一条线路上传输数万条不同的消息。这种通信称为多通道。
不同类型通信之间的界限开始变得模糊。它们相得益彰，电报、电话、收音机，以及后来的电视、无线电中继，以及后来的卫星、空间通信都统一在一个共同的电气通信系统中。
现代通信技术
沟通渠道的信息紧密度
3000公里至4毫米长的波在信息传输通道中起作用。该设备在运行时能够通过通信通道每秒传输 400 兆比特（400 兆比特/秒是每秒 4 亿比特）。如果我们按照这个顺序取一个字母 1 位，那么 400 Mbit 将构成一个 500 册的图书馆，每册有 20 张印张）。
当前的电子通信方式是否与上个世纪的原型相似？几乎与表演跳伞飞机相同。尽管现代通信渠道的设备非常完善，但还是太拥挤了：比上个世纪 90 年代要近得多。
美国辛辛那提的电报线（20 世纪初）
1923 年 3 月 28 日，一位女士戴着耳机收听广播。
不断增长的信息传输需求与当前通信信道中使用的物理过程的基本属性之间存在矛盾。要稀释“信息密度”，就要征服越来越短的波，也就是掌握越来越高的频率。电磁振荡的性质是频率越高，每单位时间可以通过通信信道传输的信息越多。
但是随着通信者必须面对的所有更大的困难：随着波的减少，接收设备的内部（固有）噪声急剧增加，发生器的功率降低，效率显着降低。发射器和所有消耗的电力中，只有一小部分被转换为有用的无线电波能量。
射程超过2万公里的德国瑙恩无线电台电子管传输电路的输出变压器（1930年10月）
1933 年，第一次 UHF 无线电通信在梵蒂冈和教皇庇护十一世的夏宫之间建立。
超短波 (UHF) 在此过程中会灾难性地迅速失去能量。因此，消息信号不得不经常被放大和再生（恢复），我们不得不求助于复杂而昂贵的设备。无线电波的厘米范围内的通信，更不用说毫米范围内的通信，面临着许多障碍。
电气通信渠道的缺点
几乎所有的现代电子通信都是多通道的。要在 400 Mbit/s 信道上传输，您需要在无线电波的分米范围内工作。这只有在存在非常复杂的设备，当然还有由一个或多个同轴对组成的特殊高频（同轴）电缆的情况下才有可能。
在每一对中，外导体和内导体都是同轴圆柱体。两个这样的对可以同时传输 3,600 个电话或几个电视节目。然而，在这种情况下，信号必须每 1.5 公里被放大和再生一次。
20 年代时尚的信号员
通信渠道以电缆线路为主。它们免受外部影响、电和磁干扰。电缆经久耐用，运行可靠，便于不同环境的敷设。
然而，电缆和通讯电线的产量占世界有色金属产量的一半以上，而有色金属的储量正在迅速减少。
金属变得越来越贵。电缆的生产，尤其是同轴电缆的生产，是一项复杂且耗能极高的业务。对它们的需求正在增长。因此，不难想象通信线路的建设和运营的成本是多少。
1888 年在纽约安装电缆线路。
通信网络是人类在地球上创造的最壮观、最昂贵的结构。如何进一步发展它，如果已经在二十世纪 50 年代，很明显电信正在接近其经济可行性的门槛？
横贯大陆的电话线竣工，犹他州温多弗，1914 年。
为了消除“通信通道中的信息密度，有必要学习如何使用电磁振荡的光学范围。毕竟，光波的振动频率是 VHF 的数百万倍。
如果创建光通信信道，则可以同时传输数千个电视节目以及更多的电话和无线电广播。
这项任务似乎令人生畏。但是在解决它的过程中，科学家和信号员面前出现了一种迷宫般的问题。二十世纪没有人知道如何克服它。
“苏联电视和广播”——1959 年 8 月 5 日在莫斯科“Sokolniki”公园举办的展览。
激光
1960 年，一种惊人的光源诞生了——激光或光量子发生器 (LQG)。该设备具有独特的属性。
不可能在一篇简短的文章中讲述各种激光器的工作原理和设备。我们的网站上已经有一篇关于激光的详细文章： 激光器的装置和工作原理……在这里，我们仅限于列举那些引起通信工作者注意的激光特性。
Ted Mayman，第一台工作激光器的副讲师，1960 年。
首先，让我们说明辐射的相干性。激光几乎是单色的（一种颜色），并且在时空中的发散小于最完美的探照灯的光。集中在激光针束中的能量非常高。正是激光的这些和其他一些特性促使通信工作者使用激光进行光通信。
初稿总结如下。如果你使用激光作为发生器并用信息信号调制它的光束，你就会得到一个光发射器。将光束引导至光接收器，我们得到一个光通信通道。没有电线，没有电缆。通信将通过空间（开放式激光通信）进行。
在科学实验室使用激光的经验
实验室实验出色地证实了通讯工作者的假设。很快就有机会在实践中检验这种关系。不幸的是，信号员在地球上开放激光通信的希望并没有实现：雨、雪、雾使通信变得不确定，而且常常完全中断。
很明显，携带信息的光波必须被大气层屏蔽。这可以在波导的帮助下完成——波导内部是薄、均匀且非常光滑的金属管。
但是工程师和经济学家立即认识到制造绝对光滑甚至波导所涉及的困难。波导比黄金还贵。显然，这场比赛不值一提。
他们必须寻找创建世界指南的全新方法。必须确保光导不是金属制成的，而是一些廉价的、不稀缺的原材料。开发适合使用光传输信息的光纤花了几十年的时间。
第一种这样的纤维是由超纯玻璃制成的。创建了一个双层同轴核壳结构。选择玻璃类型，使纤芯的折射率高于包层。
在光学介质中几乎全内反射
但是如何连接不同的玻璃才能使核壳边界处没有缺陷呢？如何实现平滑、均匀并同时获得最大的纤维强度？
经过科学家和工程师们的努力，最终制成了理想中的光纤。今天，光信号通过它传输了数百和数千公里。但是光能在非金属（电介质）导电介质上的传播规律是什么？
光纤模式
单模和多模光纤属于光传播的光纤，在纤芯-包层界面经历反复的内反射行为（专家指的是谐振系统的“模”的自然振荡）。
光纤的模式是它自己的波，即那些被纤维的核心捕获并沿着纤维从头到尾传播的那些。
光纤的类型由其设计决定：构成纤芯和包层的组件，以及光纤尺寸与所用波长的比率（最后一个参数尤为重要）。
在单模光纤中，纤芯直径必须接近自然波长。在众多波中，光纤的纤芯仅捕获其自身的一个波。因此，光纤（光导）称为单模。
如果纤芯的直径超过某个波的长度，那么光纤就能够同时传导数十个甚至数百个不同的波。这就是多模光纤的工作原理。
光通过光纤传输信息
光只能从适当的光源射入光纤。最常见的是——来自激光。但没有什么是天生完美的。因此，尽管激光束具有固有的单色性，但仍包含一定的频谱，或者换句话说，发射一定范围的波长。
除了激光器还有什么可以作为光纤的光源？高亮度 LED。但是，它们中辐射的方向性远小于激光。因此，与激光相比，烧焦的二极管引入光纤的能量要少数十和数百倍。
当激光束射向光纤的纤芯时，每个波都以严格定义的角度撞击它。这意味着相同时间间隔的不同特征波（模式）通过不同长度的光纤（从开始到结束）路径。这就是波的色散。
警报会怎样？在相同的时间间隔内通过光纤中的不同路径，它们可以以扭曲的形式到达线路的末端，专家称这种现象为模式色散。
纤维的芯和鞘很像。已经提到，它们由具有不同折射率的玻璃制成。任何物质的折射率都取决于影响该物质的光的波长。因此，存在物质的弥散，或者说物质的弥散。
波长、模式、材料色散是对光能通过光纤传输产生负面影响的三个因素。
单模光纤中没有模式色散。因此，这种光纤每单位时间可以传输比多模光纤多数百倍的信息。波和材料的色散怎么样？
在单模光纤中，人们试图确保在特定条件下波和材料色散相互抵消。随后，有可能制造出这样一种光纤，模式和波色散的负面影响被显着削弱。你是怎么做到的？
根据抛物线定律，我们选择了光纤材料折射率变化与其距轴（沿半径）的距离变化的依赖关系图。光沿着这种光纤传播，而不会在纤芯-包层界面处经历多次全反射。
通讯配电柜。黄色电缆是单模光纤，橙色和蓝色电缆是多模光纤
光纤捕获的光的路径是不同的。一些光线沿着纤芯的轴传播，在一个方向或另一个方向以相等的距离（“蛇形”）偏离纤芯，其他光线位于与光纤轴交叉的平面中，形成一组螺旋线。一些的半径保持不变，另一些的半径周期性变化。这种纤维称为折射或梯度。
知道这一点非常重要；光必须以什么限制角度被引导到每根光纤的末端。这决定了有多少光将进入光纤并从光线路的起点传导到终点。该角度由光纤的数值孔径（或简称为孔径）决定。
光通信
FOCL
作为光通信线路 (FOCL)，不能使用本身很细且易碎的光纤。纤维用作生产光缆 (FOC) 的原材料。 FOC 有多种设计、形状和用途。
在强度和可靠性方面，FOC 并不逊色于其金属密集型原型，并且可以铺设在与金属导体电缆相同的环境中——空中、地下、河流和海底。炒锅要容易得多。重要的是，FOC 对电干扰和磁影响完全不敏感。毕竟金属线缆很难应对这种干扰。
第一代光缆在 80 年代和 90 年代成功地取代了自动电话交换机之间的同轴电缆。这些线路的长度不超过 10-15 公里，但当无需中间再生器即可传输所有必要信息时，信号员松了一口气。
传播渠道出现大量“生存空间”，“信息紧缩”概念失去意义。 FOC 轻、薄且足够灵活，可以毫不费力地铺设在现有的地下电话中。
对于自动电话交换机，有必要添加简单的设备，将光信号转换为电信号（在前一站的输入端）和电信号转换为光信号（在下一站的输出端）。所有交换设备、用户线路及其电话都没有发生任何变化。正如他们所说，一切都变得廉价而愉快。
城市光缆铺设
架空输电线路支架上光缆的安装
通过现代光通信线路，信息不是以模拟（连续）形式传输，而是以离散（数字）形式传输。
光通信线路，他们允许在过去的 30-40 年内进行通信技术的革命性变革，并在很长一段时间内相对较快地结束了信息传输通道中的“信息紧张”问题。在所有通信和传输方式中，信息、光通信线路占据主导地位，并将主导整个二十一世纪。
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