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미국 주변의 기술, 기술, 개체의 역사
광섬유 통신 회선. 발명과 생산의 역사
광섬유 통신 회선(전송) - 광학(일반적으로 근적외선) 범위에서 정보를 전송하도록 설계된 수동 및 능동 요소로 구성된 광섬유 시스템입니다.
XNUMX세기에 인류는 다양한 유형의 통신, 특히 전화, 라디오 및 텔레비전의 발전에서 엄청난 비약을 목격했습니다. 그들 덕분에 그리고 위성 우주 통신 시스템의 출현 덕분에 현대인은 이전 세대가 접근할 수 없었던 지구상의 가장 멀고도 먼 구석과 소통하고 모든 것을 보고 듣고 알 수 있는 기회를 얻었습니다. 세계에서 발생합니다. 그러나 전통적인 통신 유형의 모든 장점과 함께 각각의 단점은 전송되는 정보의 양이 증가함에 따라 점점 더 민감해지는 여러 가지 단점이 있습니다. 케이블을 통해 전송되는 정보를 상당히 압축할 수 있는 최신 기술에도 불구하고 주요 전화선에는 여전히 과부하가 걸리는 경우가 많습니다. 정보 신호가 전자기파를 사용하여 전달되는 라디오 및 텔레비전에 대해서도 거의 동일하게 말할 수 있습니다. TV 채널 및 라디오 방송국, 방송 및 서비스의 계속 증가하는 수로 인해 상호 간섭이 발생하여 다음과 같은 상황이 발생했습니다. "붐비는 공기". 이것은 점점 더 많은 단파 전파 대역의 개발을 위한 자극 중 하나였습니다. 알려진 바: 방송에 사용되는 전파가 짧을수록 상호 간섭이 없는 더 많은 라디오 방송국이 주어진 범위에 들어갈 수 있습니다(이는 라디오 설정을 회전하면 쉽게 알 수 있습니다. 장파에서 몇 개의 라디오 방송국만 잡을 수 있다면, 그런 다음 이미 단파 및 초단파에 수십 개의 라디오 방송국이 있으며 수백 개가 문자 그대로 "모든 밀리미터에 앉아 있습니다"). 전통적인 통신 유형의 또 다른 단점은 정보를 전송하기 위해 자유 공간으로 방사된 파동을 사용하는 것이 일반적으로 수익성이 없다는 것입니다. 결국, 그러한 파동의 정면의 특정 면적당 에너지는 파면이 증가함에 따라 감소합니다. 구형파(즉, 소스에서 모든 방향으로 균일하게 전파되는 파동)의 경우 감쇠는 파동 소스에서 수신기까지 거리의 제곱에 반비례합니다. 결과적으로 현대 무선 기술은 유용한 신호를 분리하고 증폭하는 데 많은 비용을 소비합니다. 정보가 좁은 지향성 빔이나 빔으로 전송된다면 완전히 다른 그림이 될 것입니다. 이 경우 손실은 훨씬 적습니다. 이러한 단점은 인류가 통신 시스템의 중요한 혁명을 앞두고 있음을 시사하며, 이는 XNUMX세기에 이러한 모든 단점을 갖지 않는 광전자공학이 주요 유형이 될 것이라는 사실로 이어질 것입니다. 다가오는 세기의 첫 XNUMX년 안에 이미 모든 새로운 전화, 텔레비전 및 컴퓨터 시스템은 정보 매체로 레이저 방사선을 사용하는 광섬유 케이블로 연결될 것으로 예상됩니다. 현대 광통신의 시대는 1960년 최초의 레이저 발명과 함께 시작되었습니다. 일반적으로 레이저의 발명은 "에테르 밀집" 문제를 빠르고 쉽게 극복할 수 있다는 희망을 불러일으켰습니다. 실제로 센티미터 및 밀리미터 전파 대신 통신에 필요한 미크론 파장의 가시광선을 사용하면 전송되는 정보의 양을 거의 무한정 확장할 수 있습니다. 예를 들어, 헬륨-네온 레이저 통신 시스템은 약 백만 개의 텔레비전 채널을 동시에 수용할 수 있는 대역폭을 가지고 있습니다. 그러나 첫 번째 실험은 장밋빛 환상을 불식시켰습니다. 지구의 대기는 광학 방사선을 매우 활발하게 흡수하고 산란시키며 레이저(빔이 공기를 통해 직접 전파되는 경우)는 매우 짧은 거리(평균 1km 이하)에서만 통신 요구에 사용될 수 있다는 것이 밝혀졌습니다. 이 어려움을 극복하려는 모든 시도는 성공하지 못했습니다. 이것은 1966년에 두 명의 일본 과학자인 Kao와 Hokema가 내시경 및 기타 분야에서 이미 사용되는 것과 유사한 긴 유리 섬유를 사용하여 광 신호를 전송하도록 제안한 경우입니다. 그들의 기사는 광섬유 통신의 토대를 마련했습니다. 라이트 가이드의 동작의 기초는 무엇입니까? 광선이 밀도가 높은 매질에서 밀도가 낮은 매질로 향하면(예: 물이나 유리에서 공기로) 광선의 상당 부분이 두 매질의 경계에서 다시 반사된다는 것은 광학 분야에서 잘 알려져 있습니다. . 이 경우 빔의 입사각이 작을수록 광속의 더 많은 부분이 반사됩니다. 실험을 통해 모든 빛이 반사되고 그 중 미미한 부분만 밀도가 높은 매체에서 밀도가 낮은 매체로 이동하는 부드러운 각도를 선택할 수 있습니다. 이 경우 빛은 밀도가 높은 매체의 죄수처럼 밝혀져 모든 굴곡을 반복하면서 전파됩니다. "빛 유지"의 이러한 효과는 물과 공기의 경계에서 끊임없이 반사되어 떠날 수 없는 물 분사 내부의 빛의 전파의 예에서 볼 수 있습니다. 같은 방식으로 광 신호는 광섬유를 통해 전송됩니다. 그 안에 들어가면 광선이 다른 방향으로 전파됩니다. 두 매체의 경계에 작은 각도로 이동하는 광선은 완전히 반사됩니다. 따라서 쉘은 거의 빛의 속도로 신호 전송을 위한 불투명 채널을 제공하여 단단히 고정합니다.
절대적으로 투명하고 균질한 재료로 만들어진 이상적인 광 가이드에서는 광파가 줄어들지 않고 전파되어야 하지만 거의 모든 실제 광 가이드는 불투명도와 비균질성으로 인해 전자기파를 다소 강하게 흡수하고 산란시킵니다. (흡수는 섬유의 가열로 외부에서 나타납니다. 산란은 방사선의 일부가 섬유를 떠날 때입니다.) 창문, 상점 전면 및 쌍안경에서 매우 투명하게 보이는 유리는 실제로 균일하지 않습니다. 이것은 판유리의 단면을 통해 보면 쉽게 알 수 있습니다. 동시에 희미한 청록색이 즉시 보입니다. 연구에 따르면 이 착색은 유리에서 발견되는 소량의 철과 구리로 인해 발생합니다. 천문 및 사진 렌즈용으로 만들어진 가장 순수한 안경에도 많은 양의 유색 불순물이 포함되어 있습니다. 이러한 유리로 만든 최초의 도광판에서는 에너지 손실이 매우 높았습니다(도광판 1m당 50% 이상의 빛이 손실되었습니다). 그러나 이러한 품질에도 불구하고 곡선 채널을 통해 빛을 전달하고 금속 구멍의 내부 표면을 관찰하고 인체 내부 장기의 상태를 연구하는 등의 장치를 만들 수 있습니다. 그러나 간선 통신선을 만드는 데 이러한 라이트 가이드는 거의 사용되지 않았습니다. 1km당 1%의 빛 출력을 전달할 수 있는 광섬유의 실험실 샘플을 만드는 데 약 XNUMX년이 걸렸습니다. 다음 과제는 그러한 섬유로부터 실제 사용에 적합한 도광 케이블을 만들어 방사선 소스와 수신기를 개발하는 것이었습니다. 가장 단순한 광섬유는 투명 유전체의 얇은 필라멘트입니다. 전송된 광파는 섬유 축에 작은 각도로 이동하고 표면에서 내부 전반사를 경험합니다. 그러나 이러한 도광체는 실험실에서만 사용할 수 있습니다. 정상적인 조건에서 보호되지 않은 유리 표면이 점차 먼지 입자로 덮여 있기 때문에 미세 균열, 섬유 내부의 빛의 내부 전반사 조건을 위반하는 불규칙성과 같은 많은 결함이 발생합니다. , 매우 강력하게 광선을 흡수하고 산란시킵니다. 보호되지 않은 케이블을 지지하는 지지대와 광섬유 사이의 접촉 지점에서 상당한 추가 손실이 발생합니다.
상황의 급격한 변화는 XNUMX층 라이트 가이드의 생성과 관련이 있습니다. 이러한 도광체는 도광체 가닥보다 굴절률이 낮은 투명한 덮개로 둘러싸인 도광체 가닥으로 구성됩니다. 투명 쉘의 두께가 투과된 광 신호의 여러 파장을 초과하면 이 쉘 외부의 먼지나 매질의 특성은 XNUMX층 도광체에서 광파 전파 과정에 큰 영향을 미치지 않습니다. 이러한 라이트 가이드는 폴리머 외피로 코팅되어 실제 적용에 적합한 라이트 가이드 케이블로 변환될 수 있습니다. 그러나 이를 위해서는 정맥과 투명 껍질 사이의 경계를 높은 완성도로 만들어야 합니다. 도광체를 제조하는 가장 간단한 기술은 유리 막대 코어를 굴절률이 낮은 단단히 끼워진 유리관에 삽입하는 것입니다. 그런 다음이 구조가 가열됩니다. 1970년에 Corning Glass는 장거리에서 빛 신호를 전송하는 데 적합한 유리 도광체 개발을 개척했습니다. 그리고 70년대 중반에는 초고순도 석영 유리로 만들어진 라이트 가이드가 만들어졌는데, 그 광도는 6km 거리에서 반으로 줄어들었습니다. (다음 예에서 이러한 유리가 얼마나 투명한지 알 수 있습니다. 10km 두께의 초투명 광학 유리를 창에 삽입한다고 상상하면 센티미터 두께의 일반 창 유리와 마찬가지로 빛을 투과합니다!)
광섬유 통신 시스템은 라이트 가이드 외에 광송신부(시스템 입력부에 들어오는 전기 신호를 광펄스로 변환하는 장치)와 광수신부(광신호를 수신하여 전기 펄스로 변환하는 장치)를 포함한다. 라인이 길면 리피터도 작동합니다. 전송된 신호를 수신하고 증폭합니다. 광섬유에 방사선을 입력하는 장치에는 직경이 매우 작고 초점 거리가 수백 및 수십 마이크론인 렌즈가 널리 사용됩니다. 방사선 소스는 레이저와 발광 다이오드의 두 가지 유형이 있으며, 이는 반송파 발생기로 작동합니다. 전송된 신호(텔레비전 방송, 전화 대화 등이 될 수 있음)는 라디오 엔지니어링에서와 같은 방식으로 변조되고 반송파에 중첩됩니다. 그러나 정보를 디지털 형식으로 전송하는 것이 훨씬 더 효율적입니다. 이 경우 전화 대화, 인쇄 된 텍스트, 음악, 텔레비전 프로그램 또는 사진 이미지와 같이 어떤 정보가 이런 방식으로 전송되는지는 전혀 중요하지 않습니다. 신호를 디지털 형식으로 변환하는 첫 번째 단계는 특정 시간 간격으로 값을 결정하는 것입니다. 이 프로세스를 시간 경과에 따른 신호 샘플링이라고 합니다. 간격 T가 전송된 신호의 스펙트럼에 포함된 최고 주파수보다 2배 이상 적으면 이 신호를 왜곡 없이 이산 형태에서 추가로 복원할 수 있다는 것이 수학적으로나 실제적으로 입증되었습니다. 즉, 연속 신호 대신 전송된 정보에 대한 편견 없이 진폭만 서로 다른 매우 짧은 펄스 세트를 적용할 수 있습니다. 그러나 이러한 충동을 이런 형태로 전달할 필요는 없습니다. 그것들은 모두 같은 모양을 가지고 있고 같은 시간 간격 T만큼 서로 상대적으로 이동하기 때문에 전체 신호가 아니라 진폭 값만 전송할 수 있습니다. 이 예에서 진폭별 분석은 0단계로 나뉩니다. 이는 각 펄스의 값을 이진수로 해석할 수 있음을 의미합니다. 이 번호의 값은 통신 회선을 통해 전송됩니다. 각 이진수를 전송하는 데 1과 0의 두 자리만 필요하므로 크게 단순화됩니다. 1은 신호가 없음을 나타내고 1은 신호가 있음을 나타냅니다. 이 예에서는 각 숫자를 전송하는 데 3/XNUMX T가 소요되며 전송된 신호는 역순으로 복원됩니다. 신호를 디지털 형태로 적용하는 것은 사실상 모든 왜곡과 간섭을 제거하므로 매우 편리합니다.
광통신 시스템은 여전히 상대적으로 고가여서 보급에 걸림돌이 되고 있지만, 이는 일시적인 장애일 뿐임에는 틀림없다. 그 장점과 장점은 너무나 명백해서 미래에 반드시 널리 사용되어야 합니다. 우선, 광섬유 케이블은 간섭에 매우 강하고 무게가 가볍습니다. 대량 생산 기술을 습득하면 원자재가 이미 훨씬 저렴하기 때문에 현재 사용되는 전기 케이블보다 훨씬 저렴할 수 있습니다. 그러나 가장 중요한 이점은 대역폭이 크다는 것입니다. 단위 시간에 현재 알려진 통신 방법으로는 전송할 수 없는 엄청난 양의 정보를 전달할 수 있습니다. 이러한 모든 품질은 주로 컴퓨터 장치에서 다면적 응용 프로그램과 함께 광섬유 통신 회선을 제공해야 합니다(미세한 도광체를 사용하는 미세 회로를 만드는 데 이미 많은 경험이 축적되었습니다. 이러한 미세 회로의 속도는 기존의 것보다 약 1000배 빠릅니다. 하나), 케이블 텔레비전에서; 그런 다음 간선의 전화 케이블을 교체하고 텔레비전 케이블을 만들 것입니다. 미래에는 이러한 모든 네트워크를 단일 정보 네트워크로 결합할 것으로 예상됩니다. 많은 선진국(주로 미국)에서 많은 전화 통신 회선이 이미 라이트 가이드로 대체되었습니다. 도시 광섬유 네트워크의 생성이 실행되고 있습니다. 그래서 1976년에 미국의 대도시인 애틀랜타에 도시형 디지털 광섬유 전화 통신 시스템이 설치되었습니다. 저자: Ryzhov K.V.
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