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HISTÓRIA DA TECNOLOGIA, TECNOLOGIA, OBJETOS AO REDOR DE NÓS
Linha de comunicação de fibra óptica. História da invenção e produção
Diretório / A história da tecnologia, tecnologia, objetos ao nosso redor Linha de comunicação de fibra óptica (transmissão) - um sistema de fibra óptica que consiste em elementos passivos e ativos, projetado para transmitir informações na faixa óptica (geralmente perto do infravermelho).
No século XX, a humanidade presenciou um grande salto no desenvolvimento de diversos tipos de comunicação, principalmente a telefonia, o rádio e a televisão. Graças a eles, e também graças ao surgimento de um sistema de comunicação espacial por satélite, o homem moderno recebeu uma oportunidade inacessível às gerações anteriores de se comunicar com os cantos mais distantes e remotos do planeta, de ver, ouvir e saber tudo o que acontece no mundo. No entanto, com todas as vantagens dos tipos tradicionais de comunicação, cada um deles também apresenta uma série de desvantagens, que se tornam cada vez mais sensíveis à medida que o volume de informações transmitidas aumenta. Apesar da tecnologia de ponta, que pode condensar significativamente as informações transmitidas pelo cabo, as principais linhas telefônicas ainda estão frequentemente sobrecarregadas. Aproximadamente o mesmo pode ser dito sobre o rádio e a televisão, em que os sinais de informação são transportados por meio de ondas eletromagnéticas: um número cada vez maior de canais de TV e estações de rádio, emissoras e serviços, levou ao surgimento de interferência mútua, a uma situação chamada "ar lotado". Este foi um dos ímpetos para o desenvolvimento de cada vez mais bandas de ondas de rádio de ondas curtas. Sabe-se: quanto mais curtas forem as ondas usadas para transmissão, mais estações de rádio sem interferência mútua podem ser acomodadas em um determinado intervalo (isso é fácil de ver girando a configuração do rádio: se pudermos pegar apenas algumas estações de rádio em ondas longas , então já existem dezenas dessas estações de rádio em ondas curtas e ultracurtas e centenas, elas literalmente "se sentam em cada milímetro"). Outra desvantagem dos tipos tradicionais de comunicação é que geralmente não é lucrativo usar ondas irradiadas no espaço livre para transmitir informações. Afinal, a energia por uma certa área da frente de tal onda diminui à medida que a frente de onda aumenta. Para uma onda esférica (ou seja, que se propaga uniformemente em todas as direções a partir da fonte), a atenuação é inversamente proporcional ao quadrado da distância da fonte de onda ao receptor. Como resultado, a moderna tecnologia de rádio gasta muito dinheiro no isolamento e amplificação de um sinal útil. Uma imagem completamente diferente seria no caso de a informação ser enviada por um feixe ou feixe estreito direcionado. As perdas neste caso seriam muito menores. Essas deficiências sugerem que a humanidade está à beira de uma importante revolução no sistema de comunicação, que levará ao fato de que no século XXI, a optoeletrônica, que não possui todas essas deficiências, se tornará seu principal tipo. Espera-se que já nas primeiras décadas do próximo século, todos os novos sistemas de telefonia, televisão e computadores sejam conectados por cabos de fibra ótica usando radiação laser como portadora de informação. A era da comunicação óptica moderna começou em 1960 com a criação do primeiro laser. A invenção dos lasers em geral deu origem à esperança de uma superação rápida e fácil dos problemas de "aglomeração de éter". De fato, o uso de ondas micrométricas de luz visível para necessidades de comunicação, em vez de ondas de rádio centimétricas e milimétricas, tornou possível expandir o volume de informações transmitidas quase indefinidamente. Por exemplo, um sistema de comunicação a laser de hélio-neon tem uma largura de banda que pode acomodar simultaneamente cerca de um milhão de canais de televisão. No entanto, os primeiros experimentos dissiparam as ilusões cor-de-rosa. Descobriu-se que a atmosfera terrestre absorve e espalha muito ativamente a radiação óptica e que os lasers (no caso de o feixe se propagar diretamente pelo ar) podem ser usados \u1b\u1966bpara necessidades de comunicação apenas a uma distância muito curta (em média, não mais que XNUMX km) Todas as tentativas de superar essa dificuldade não tiveram sucesso. Foi o que aconteceu quando, em XNUMX, dois cientistas japoneses, Kao e Hokema, propuseram o uso de longas fibras de vidro para transmitir o sinal de luz, semelhantes às já utilizadas em endoscopia e outras áreas. Seu artigo lançou as bases para as comunicações de fibra óptica. Qual é a base da ação dos guias de luz? É bem conhecido da ótica que, se um feixe de luz é direcionado de um meio mais denso para um menos denso (por exemplo, da água ou do vidro para o ar), uma parte significativa dele é refletida de volta a partir do limite dos dois meios. . Neste caso, quanto menor o ângulo de incidência do feixe, maior parte do fluxo de luz será refletida. Por experiência, pode-se escolher um ângulo tão suave no qual toda a luz é refletida e apenas uma parte insignificante dela passa de um meio mais denso para um menos denso. Nesse caso, a luz fica como que encerrada em um meio denso e se propaga nele, repetindo todas as suas curvas. Esse efeito de "retenção de luz" pode ser observado no exemplo da propagação da luz dentro de um jato de água, do qual não pode sair, refletindo constantemente na fronteira entre água e ar. Da mesma forma, um sinal de luz é transmitido através de uma fibra de vidro óptica. Entrando nele, o feixe de luz se propaga em diferentes direções. Raios viajando em um pequeno ângulo para o limite de dois meios são completamente refletidos a partir dele. Assim, a concha os segura firmemente, fornecendo um canal opaco para transmissão de sinal quase à velocidade da luz.
Em guias de luz ideais feitos de material absolutamente transparente e homogêneo, as ondas de luz devem se propagar ininterruptamente, mas quase todos os guias de luz reais absorvem e espalham mais ou menos fortemente as ondas eletromagnéticas devido à sua opacidade e falta de homogeneidade. (A absorção aparece externamente como aquecimento da fibra; a dispersão ocorre quando parte da radiação deixa a fibra.) O vidro que parece tão transparente em janelas, vitrines e binóculos está, na verdade, longe de ser uniforme. Isso é fácil de ver olhando através da face final da folha de vidro. Ao mesmo tempo, sua leve cor verde-azulada torna-se imediatamente visível. Estudos mostram que essa coloração é causada por pequenas quantidades de ferro e cobre encontradas no vidro. Mesmo os óculos mais puros feitos para lentes astronômicas e fotográficas contêm grandes quantidades de impurezas coloridas. Nas primeiras guias de luz feitas desse vidro, as perdas de energia eram muito altas (mais de 1% da luz introduzida nele era perdida por 50 m da guia de luz). No entanto, mesmo com essa qualidade, foi possível criar dispositivos que possibilitaram a passagem de luz por canais curvos, observar as superfícies internas das cavidades metálicas, estudar o estado dos órgãos internos do corpo humano, etc. Mas para a criação de linhas de comunicação de tronco, tais guias de luz eram de pouca utilidade. Demorou cerca de uma década para criar amostras de laboratório de fibras ópticas capazes de transmitir 1% da potência de luz introduzida nelas por 1 km. A próxima tarefa foi fazer um cabo guia de luz adequado para uso prático a partir de tal fibra, para desenvolver fontes e receptores de radiação. A fibra óptica mais simples é um filamento fino de um dielétrico transparente. As ondas de luz transmitidas viajam em pequenos ângulos em relação ao eixo da fibra e experimentam reflexão interna total de sua superfície. Mas esse guia de luz só pode ser usado em laboratório, pois a superfície de vidro desprotegida em condições normais é gradualmente coberta por partículas de poeira, muitos defeitos se desenvolvem: microfissuras, irregularidades que violam as condições para reflexão interna total da luz dentro da fibra , absorvem e dispersam muito fortemente os raios. Perdas adicionais significativas ocorrem nos pontos de contato entre a fibra óptica e os suportes que suportam o cabo desprotegido.
Uma mudança radical na situação foi associada à criação de guias de luz de duas camadas. Tais guias de luz consistiam em um fio de guia de luz encerrado em uma bainha transparente, cujo índice de refração era menor que o do fio. Se a espessura da casca transparente exceder vários comprimentos de onda do sinal de luz transmitido, nem a poeira nem as propriedades do meio fora dessa casca terão um efeito significativo no processo de propagação da onda de luz em um guia de luz de duas camadas. Esses guias de luz podem ser revestidos com uma bainha de polímero e transformados em um cabo de guia de luz adequado para aplicações práticas. Mas para isso é necessário criar uma alta perfeição do limite entre a veia e a concha transparente. A tecnologia de fabricação de fibra mais simples é que o núcleo de vidro é inserido em um tubo de vidro bem ajustado com um índice de refração mais baixo. Em seguida, essa estrutura é aquecida. Em 1970, a Corning Glass foi pioneira no desenvolvimento de guias de luz de vidro adequados para transmitir sinais de luz a longas distâncias. E em meados da década de 70, foram criados guias de luz feitos de vidro de quartzo ultrapuro, cuja intensidade de luz era reduzida pela metade apenas a uma distância de 6 km. (O quão transparente é esse vidro pode ser visto no exemplo a seguir: se você imaginar que um vidro óptico ultra-claro de 10 km de espessura é inserido na janela, ele transmitirá luz, bem como vidro comum de uma espessura de centímetros!)
Além do guia de luz, o sistema de comunicação por fibra óptica inclui uma unidade transmissora óptica (na qual os sinais elétricos que entram na entrada do sistema são convertidos em pulsos ópticos) e uma unidade receptora óptica (recebe sinais ópticos e os converte em pulsos elétricos). Se a linha for longa, os repetidores também operam nela - eles recebem e amplificam os sinais transmitidos. Nos dispositivos de entrada de radiação em fibras ópticas, são amplamente utilizadas lentes, que possuem um diâmetro muito pequeno e uma distância focal da ordem de centenas e dezenas de mícrons. As fontes de radiação podem ser de dois tipos: lasers e diodos emissores de luz, que funcionam como geradores de ondas portadoras. O sinal transmitido (pode ser uma transmissão de televisão, conversa telefônica, etc.) é modulado e sobreposto à onda portadora da mesma forma que na engenharia de rádio. No entanto, é muito mais eficiente transmitir informações em formato digital. Nesse caso, novamente, não importa qual informação é transmitida dessa forma: uma conversa telefônica, um texto impresso, uma música, um programa de televisão ou a imagem de uma foto. A primeira etapa na conversão de um sinal para o formato digital é determinar seus valores em determinados intervalos de tempo - esse processo é chamado de amostragem de sinal ao longo do tempo. Foi provado (tanto matematicamente quanto na prática) que se o intervalo T for pelo menos 2 vezes menor que a frequência mais alta contida no espectro do sinal transmitido, então este sinal pode ser restaurado a partir de uma forma discreta sem qualquer distorção. Ou seja, ao invés de um sinal contínuo, sem prejuízo da informação transmitida, pode-se aplicar um conjunto de pulsos muito curtos que diferem entre si apenas em sua amplitude. Mas não há necessidade de transmitir esses impulsos dessa forma. Como todos eles têm a mesma forma e são deslocados um em relação ao outro no mesmo intervalo de tempo T, é possível transmitir não o sinal inteiro, mas apenas o valor de sua amplitude. No nosso exemplo, a divisão por amplitude vai para oito níveis. Isso significa que o valor de cada pulso pode ser interpretado como um número binário. O valor desse número é transmitido pela linha de comunicação. Como são necessários apenas dois dígitos, 0 e 1, para transmitir cada número binário, é bastante simplificado: 0 corresponde à ausência de um sinal e 1 à sua presença. Em nosso exemplo, a transmissão de cada dígito leva 1/3 T. O sinal transmitido é restaurado na ordem inversa. A aplicação de um sinal em formato digital é muito conveniente, pois praticamente elimina qualquer distorção e interferência.
O sistema de comunicação óptica ainda é relativamente caro, o que dificulta sua ampla adoção, mas não há dúvida de que este é apenas um obstáculo temporário. Seus méritos e vantagens são tão óbvios que certamente deve ser amplamente utilizado no futuro. Em primeiro lugar, os cabos de fibra ótica são muito resistentes a interferências e leves. Ao dominar a tecnologia de sua produção em massa, eles podem ser muito mais baratos que os cabos elétricos usados atualmente, pois as matérias-primas para eles já são muito mais baratas. Mas sua vantagem mais importante reside no fato de terem uma largura de banda enorme - em uma unidade de tempo, podem passar por eles quantidades tão grandes de informações que não podem ser transmitidas por nenhum dos métodos de comunicação atualmente conhecidos. Todas essas qualidades devem fornecer linhas de comunicação de fibra óptica com aplicações multifacetadas, principalmente em unidades de computador (muita experiência já foi acumulada na criação de microcircuitos que usam guias de luz microscópicas; a velocidade desses microcircuitos é aproximadamente 1000 vezes maior que a dos convencionais os), na televisão a cabo; em seguida, haverá a substituição dos cabos telefônicos nas linhas tronco e a criação de cabos de televisão; no futuro, espera-se combinar todas essas redes em uma única rede de informação. Em muitos países desenvolvidos (principalmente nos EUA), muitas linhas de comunicação telefônica já foram substituídas por guias de luz. A criação de redes urbanas de fibra óptica está sendo praticada. Assim, em 1976, na grande cidade americana de Atlanta, foi instalado o sistema de comunicação telefónica digital urbana por fibra óptica. Autor: Ryzhov K.V.
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