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Linea di comunicazione in fibra ottica. Storia dell'invenzione e della produzione

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La linea di comunicazione (trasmissione) in fibra ottica è un sistema in fibra ottica costituito da elementi passivi e attivi, progettato per trasmettere informazioni nella gamma ottica (solitamente vicino infrarosso).

cavo in fibra ottica

Nel XNUMX° secolo, l'umanità ha assistito a un enorme balzo nello sviluppo di vari tipi di comunicazione, in particolare telefonia, radio e televisione. Grazie a loro, e anche grazie all'emergere di un sistema di comunicazione spaziale satellitare, l'uomo moderno ha ricevuto un'opportunità inaccessibile alle generazioni precedenti per comunicare con gli angoli più lontani e remoti del pianeta, per vedere, ascoltare e conoscere tutto ciò che accade nel mondo. Tuttavia, con tutti i vantaggi dei tradizionali tipi di comunicazione, ognuno di essi presenta anche una serie di svantaggi, che diventano sempre più sensibili all'aumentare del volume delle informazioni trasmesse. Nonostante la tecnologia più recente, che può condensare notevolmente le informazioni trasmesse via cavo, le linee telefoniche principali sono ancora spesso sovraccaricate.

Più o meno lo stesso si può dire della radio e della televisione, in cui i segnali di informazione sono veicolati tramite onde elettromagnetiche: un numero sempre crescente di canali televisivi e radiofonici, di diffusione e di servizio, ha portato all'emergere di interferenze reciproche, a una situazione chiamata "aria affollata". Questo è stato uno degli impulsi per lo sviluppo di un numero sempre maggiore di bande di onde radio a onde corte. È noto: più corte sono le onde utilizzate per la trasmissione, più stazioni radio senza interferenze reciproche possono rientrare in un determinato raggio (questo è facile da vedere ruotando l'impostazione radio: se riusciamo a catturare solo poche stazioni radio su onde lunghe, poi ci sono già dozzine di tali stazioni radio su onde corte e ultracorte e centinaia, letteralmente "siedono su ogni millimetro").

Un altro svantaggio dei tipi tradizionali di comunicazione è che generalmente non è redditizio utilizzare onde irradiate nello spazio libero per trasmettere informazioni. Dopotutto, l'energia per una certa area del fronte di tale onda diminuisce all'aumentare del fronte d'onda. Per un'onda sferica (cioè che si propaga uniformemente in tutte le direzioni dalla sorgente), l'attenuazione è inversamente proporzionale al quadrato della distanza dalla sorgente d'onda al ricevitore. Di conseguenza, la moderna ingegneria radiofonica spende molti soldi per isolare e amplificare un segnale utile. Un'immagine completamente diversa sarebbe se l'informazione fosse inviata da un raggio o raggio diretto stretto. Le perdite in questo caso sarebbero molto inferiori.

Queste carenze suggeriscono che l'umanità è sull'orlo di un'importante rivoluzione nel sistema di comunicazione, che porterà al fatto che nel XNUMX° secolo l'optoelettronica, che non ha tutte queste carenze, diventerà il suo tipo principale. Si prevede che già nei primi decenni del prossimo secolo tutti i nuovi sistemi telefonici, televisivi e informatici saranno collegati tramite cavi in ​​fibra ottica utilizzando la radiazione laser come vettore di informazioni.

L'era della moderna comunicazione ottica inizia nel 1960 con la creazione del primo laser. L'invenzione dei laser in generale ha fatto sperare in un rapido e facile superamento dei problemi di "ether crowding". In effetti, l'uso di microonde di luce visibile per esigenze di comunicazione invece di onde radio centimetriche e millimetriche ha permesso di espandere il volume delle informazioni trasmesse quasi indefinitamente. Ad esempio, un sistema di comunicazione laser elio-neon ha una larghezza di banda che può ospitare contemporaneamente circa un milione di canali televisivi. Tuttavia, i primi esperimenti dissiparono le rosee illusioni.

Si è scoperto che l'atmosfera terrestre assorbe e disperde molto attivamente la radiazione ottica e che i laser (se il raggio si propaga direttamente attraverso l'aria) possono essere utilizzati per esigenze di comunicazione solo su una distanza molto breve (in media, non più di 1 km). i tentativi non hanno avuto successo nel superare questa difficoltà. Fu così quando, nel 1966, due scienziati giapponesi, Kao e Hokema, proposero di utilizzare lunghe fibre di vetro, simili a quelle già utilizzate in endoscopia e in altri campi, per trasmettere il segnale luminoso. Il loro articolo ha gettato le basi per le comunicazioni in fibra ottica.

Qual è la base dell'azione delle guide di luce? È noto dall'ottica che se un raggio di luce viene diretto da un mezzo più denso a uno meno denso (ad esempio, dall'acqua o dal vetro nell'aria), una parte significativa di esso viene riflessa dal confine dei due mezzi . In questo caso, minore è l'angolo di incidenza del raggio, maggiore sarà la riflessione del flusso luminoso. Con l'esperimento, si può scegliere un angolo così delicato in cui tutta la luce viene riflessa e solo una parte insignificante di essa passa da un mezzo più denso a uno meno denso. In questo caso, la luce risulta essere come un prigioniero in un mezzo denso e si propaga in esso, ripetendo tutte le sue curve.

Questo effetto di "ritenzione della luce" può essere osservato nell'esempio della propagazione della luce all'interno di un getto d'acqua, che non può lasciare, riflettendosi costantemente dal confine di acqua e aria. Allo stesso modo, un segnale luminoso viene trasmesso attraverso una fibra di vetro ottica. Entrando al suo interno, il raggio di luce si propaga in diverse direzioni. I raggi che viaggiano con un piccolo angolo rispetto al confine di due media vengono completamente riflessi da esso. Pertanto, il guscio li tiene saldamente, fornendo un canale opaco per la trasmissione del segnale quasi alla velocità della luce.

Schema di trasmissione di segnali luminosi su fibra ottica

Nelle guide luminose ideali, costituite da un materiale assolutamente trasparente e omogeneo, le onde luminose dovrebbero propagarsi senza indebolirsi, ma quasi tutte le guide luminose reali assorbono e diffondono più o meno fortemente le onde elettromagnetiche a causa della loro opacità ed eterogeneità. (L'assorbimento appare esternamente come riscaldamento della fibra; la dispersione avviene quando parte della radiazione lascia la fibra.) Il vetro che appare così trasparente nelle finestre, nelle vetrine e nei binocoli è in realtà tutt'altro che uniforme. Questo è facile da notare guardando attraverso l'estremità della lastra di vetro. In questo caso, il suo debole colore verde-bluastro diventa immediatamente visibile.

Gli studi dimostrano che questa colorazione è causata da piccole quantità di ferro e rame presenti nel vetro. Anche gli occhiali più puri realizzati per obiettivi astronomici e fotografici contengono grandi quantità di impurità colorate. Nei primi conduttori di luce realizzati con tale vetro, le perdite di energia erano molto elevate (più del 1% della luce introdotta al suo interno andava persa per 50 m di conduttore di luce). Tuttavia, anche con questa qualità, è stato possibile creare dispositivi che consentissero di far passare la luce attraverso canali curvi, osservare le superfici interne delle cavità metalliche, studiare lo stato degli organi interni del corpo umano, ecc. Ma per la creazione di linee di comunicazione del tronco, tali guide di luce erano di scarsa utilità.

Ci sono voluti circa un decennio per creare campioni di laboratorio di fibre ottiche in grado di trasmettere l'1% della potenza luminosa introdotta in esse per 1 km. Il compito successivo è stato quello di realizzare un cavo guida di luce adatto all'uso pratico da tale fibra, per sviluppare sorgenti e ricevitori di radiazioni. La fibra ottica più semplice è un filamento sottile di un dielettrico trasparente.

Le onde luminose trasmesse viaggiano a piccoli angoli rispetto all'asse della fibra e subiscono una riflessione interna totale dalla sua superficie. Ma una tale guida di luce può essere utilizzata solo in laboratorio, poiché la superficie del vetro non protetta in condizioni normali viene gradualmente ricoperta da particelle di polvere, su di essa si sviluppano molti difetti: microfessure, irregolarità che violano le condizioni per la totale riflessione interna della luce all'interno della fibra , assorbono e disperdono molto fortemente i raggi. Si verificano perdite aggiuntive significative nei punti di contatto tra la fibra ottica e i supporti che supportano il cavo non protetto.

Cavo guidaluce: 1 - polietilene; 2 - piombo; 3 - nastro polimerico; 4 - filo di rame; 5 - guida luminosa; 6 - guarnizioni polimeriche; 7 - elemento di irrigidimento

Un cambiamento radicale della situazione è stato associato alla creazione di guide di luce a due strati. Tali guide di luce consistevano in un filo di guida di luce racchiuso in una guaina trasparente, il cui indice di rifrazione era inferiore a quello del filo. Se lo spessore del guscio trasparente supera diverse lunghezze d'onda del segnale luminoso trasmesso, né la polvere né le proprietà del mezzo al di fuori di questo guscio hanno un effetto significativo sul processo di propagazione dell'onda luminosa in una guida di luce a due strati.

Questi conduttori di luce possono essere rivestiti con una guaina polimerica e trasformati in un cavo conduttore di luce adatto per applicazioni pratiche. Ma per questo è necessario creare un'elevata perfezione del confine tra la vena e il guscio trasparente. La tecnologia di produzione delle fibre più semplice consiste nell'inserire l'anima di vetro in un tubo di vetro aderente con un indice di rifrazione inferiore. Quindi questa struttura viene riscaldata.

Nel 1970, Corning Glass ha aperto la strada allo sviluppo di guide luminose in vetro adatte alla trasmissione di segnali luminosi su lunghe distanze. E verso la metà degli anni '70 furono create guide di luce in vetro di quarzo ultrapuro, l'intensità della luce in cui era dimezzata solo a una distanza di 6 km. (Quanto è trasparente tale vetro può essere visto dal seguente esempio: se immagini che un vetro ottico ultra trasparente di 10 km di spessore sia inserito nella finestra, trasmetterà la luce così come il normale vetro di una finestra di un centimetro di spessore!)

L'uso di guide di luce in vetro per la decorazione

Oltre alla guida luminosa, il sistema di comunicazione in fibra ottica comprende un'unità trasmittente ottica (in cui i segnali elettrici che arrivano all'ingresso del sistema vengono convertiti in impulsi ottici) e un'unità ricevente ottica (che riceve segnali ottici e li converte in impulsi elettrici) . Se la linea è lunga, su di essa operano anche i ripetitori: ricevono e amplificano i segnali trasmessi.

Nei dispositivi per l'immissione di radiazioni nelle fibre ottiche sono ampiamente utilizzate lenti, che hanno un diametro molto piccolo e una lunghezza focale dell'ordine di centinaia e decine di micron. Le sorgenti di radiazione possono essere di due tipi: laser e diodi emettitori di luce, che funzionano come generatori di onde portanti. Il segnale trasmesso (può essere una trasmissione televisiva, una conversazione telefonica, ecc.) viene modulato e sovrapposto all'onda portante allo stesso modo in cui avviene nell'ingegneria radiofonica.

Tuttavia, è molto più efficiente trasmettere le informazioni in formato digitale. In questo caso, ancora una volta, non importa quali informazioni vengano trasmesse in questo modo: una conversazione telefonica, un testo stampato, musica, un programma televisivo o l'immagine di un dipinto. Il primo passo per convertire un segnale in forma digitale è determinarne i valori a intervalli di tempo specifici, un processo chiamato campionamento temporale del segnale. È stato dimostrato (sia matematicamente che praticamente) che se l'intervallo T è almeno 2 volte inferiore alla frequenza più alta contenuta nello spettro del segnale trasmesso, allora questo segnale può essere successivamente ripristinato da una forma discreta senza alcuna distorsione. Cioè, al posto di un segnale continuo, senza compromettere l'informazione trasmessa, si può fornire una serie di impulsi molto brevi, diversi tra loro solo per l'ampiezza. Ma non è necessario trasmettere questi impulsi esattamente in questa forma. Poiché hanno tutti lo stesso aspetto e sono spostati l'uno rispetto all'altro dello stesso intervallo di tempo T, non è possibile trasmettere l'intero segnale, ma solo il valore della sua ampiezza.

Nel nostro esempio l'ampiezza è divisa in otto livelli. Ciò significa che il valore di ciascun impulso può essere interpretato come un numero in codice binario. Il valore di questo numero viene trasmesso sulla linea di comunicazione. Poiché per trasmettere ciascun numero binario sono necessarie solo due cifre: 0 e 1, è molto semplificato: 0 corrisponde all'assenza di segnale e 1 alla sua presenza. Nel nostro esempio, la trasmissione di ciascuna cifra richiede 1/3 T. Il segnale trasmesso viene ripristinato nell'ordine inverso. Inviare un segnale in formato digitale è molto conveniente, poiché elimina virtualmente qualsiasi distorsione e interferenza.

Le fasi principali della conversione di un segnale in forma digitale: a) segnale in forma analogica; b) un segnale analogico, suddiviso in impulsi temporanei con intervallo T; c) un segnale diviso per ampiezza in 8 livelli; d) segnale in forma digitale

Il sistema di comunicazione ottica è ancora relativamente costoso, il che ne ostacola l'adozione diffusa, ma non c'è dubbio che questo sia solo un ostacolo temporaneo. I suoi pregi e vantaggi sono così evidenti che in futuro dovrà sicuramente ricevere un uso diffuso.

Innanzitutto i cavi in ​​fibra ottica sono molto resistenti alle interferenze e sono leggeri. Una volta padroneggiata la tecnologia per la loro produzione in serie, potrebbero rivelarsi molto più economici dei cavi elettrici attualmente in uso, poiché le loro materie prime sono già molto più economiche. Ma il loro vantaggio più importante è che hanno un rendimento enorme: in un'unità di tempo, attraverso di essi possono essere trasmesse quantità così enormi di informazioni che non possono essere trasmesse con nessuno dei metodi di comunicazione attualmente conosciuti.

Tutte queste qualità dovrebbero fornire linee di comunicazione in fibra ottica con applicazioni sfaccettate, principalmente in unità informatiche (molta esperienza è già stata accumulata nella creazione di microcircuiti che utilizzano guide di luce microscopiche; la velocità di tali microcircuiti è circa 1000 volte superiore a quella dei convenzionali quelli), nella televisione via cavo; poi ci sarà la sostituzione dei cavi telefonici sulle linee principali e la realizzazione dei cavi televisivi; in futuro si prevede di combinare tutte queste reti in un'unica rete informativa.

In molti paesi sviluppati (principalmente negli USA), molte linee di comunicazione telefonica sono già state sostituite da guide luminose. Si pratica la realizzazione di reti urbane in fibra ottica. Così, nel 1976, il sistema di comunicazione telefonica digitale urbana in fibra ottica è stato installato nella grande città americana di Atlanta.

Autore: Ryzhov KV

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