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テクノロジーの歴史、テクノロジー、私たちの周りのオブジェクト
光ファイバー通信回線。 発明と生産の歴史
ディレクトリ / テクノロジーの歴史、テクノロジー、私たちの周りのオブジェクト 光ファイバー通信 (伝送) ラインは、受動素子と能動素子で構成される光ファイバー システムで、光 (通常は近赤外線) 範囲で情報を伝送するように設計されています。
XNUMX世紀、人類はさまざまな種類の通信、特に電話、ラジオ、テレビの開発に大きな飛躍を遂げました。 それらのおかげで、そして衛星宇宙通信システムの出現のおかげで、現代人は、地球の最も遠く離れた隅々と通信し、そのすべてについて見て、聞いて、知るために、前の世代にはアクセスできない機会を受け取りました世界で起こります。 ただし、従来のタイプの通信にはすべての利点があり、それぞれにいくつかの欠点があり、送信される情報の量が増えるにつれて、ますます敏感になります。 ケーブルを介して送信される情報を大幅に凝縮できる最新のテクノロジーにもかかわらず、主要な電話回線は依然として過負荷になっていることがよくあります。 電磁波を利用して情報信号を運ぶラジオやテレビについてもほぼ同じことが言えます。テレビのチャンネルやラジオ局、放送、サービスの数は増え続けており、相互干渉が発生し、次のような状況になっています。 「混雑した空気」。 これは、ますます多くの短波電波帯域の開発の推進力のXNUMXつでした。 放送に使用される波が短いほど、相互干渉のないより多くのラジオ局が特定の範囲に収まることが知られています（これはラジオ設定を回転させることで簡単にわかります：長波で少数のラジオ局しか捕まえられない場合、それから、短波と超短波ですでに数十のそのようなラジオ局があり、数百、それらは文字通り「すべてのミリメートルに座る」）。 従来のタイプの通信のもう XNUMX つの欠点は、情報を送信するために自由空間に放射される波を使用するのは一般的に不利益であることです。 結局のところ、そのような波の前面の特定の面積あたりのエネルギーは、波面が増加するにつれて減少します。 球面波 (つまり、ソースからすべての方向に均一に伝播するもの) の場合、減衰は波源からレシーバまでの距離の XNUMX 乗に反比例します。 その結果、現代の無線工学では、有用な信号の分離と増幅に多額の費用が費やされています。 情報が狭い指向性ビームまたはビームによって送信された場合は、まったく異なる状況になります。 この場合の損失ははるかに少なくなります。 これらの欠点は、人類が通信システムにおいて重要な革命の危機に瀕していることを示唆しており、XNUMX世紀にはオプトエレクトロニクスがその主要なタイプになり、これらすべての欠点がないという事実につながります。 次の世紀の最初の数十年で、すべての新しい電話、テレビ、およびコンピュータシステムは、情報キャリアとしてレーザー放射を使用して光ファイバーケーブルで接続されると予想されます。 現代の光通信の時代は、1960年に最初のレーザーの作成から始まりました。 一般にレーザーの発明は、「エーテルの混雑」の問題を迅速かつ容易に克服するという希望を生み出しました。 実際、センチメートルやミリメートルの電波の代わりに、通信のニーズにミクロン波の可視光を使用することで、送信される情報の量をほぼ無期限に拡大することが可能になりました。 たとえば、ヘリウムネオンレーザー通信システムには、約XNUMX万のテレビチャネルを同時に収容できる帯域幅があります。 しかし、最初の実験はバラ色の幻想を払拭しました。 地球の大気は光放射を非常に活発に吸収および散乱しており、レーザー（ビームが空気中を直接伝播する場合）は非常に短い距離（平均して1 km以下）でのみ通信ニーズに使用できることが判明しました。この困難を克服する試みは成功しませんでした。 1966 年に、Kao と Hokema という XNUMX 人の日本の科学者が、内視鏡検査や他の分野ですでに使用されているものと同様の長いガラス繊維を光信号の伝達に使用することを提案したときも同様でした。 彼らの論文は光ファイバー通信の基礎を築きました。 ライトガイドの動作の基礎は何ですか？ 光ビームがより密度の高い媒体からより密度の低い媒体に向けられる場合（たとえば、水またはガラスから空気に）、その大部分がXNUMXつの媒体の境界から反射して戻ることは光学からよく知られています。 。 この場合、ビームの入射角が小さいほど、光束の大部分が反射されます。 実験によって、すべての光が反射され、そのほんのわずかな部分だけがより密度の高い媒体からより密度の低い媒体に到達するような穏やかな角度を選択することができます。 この場合、光は高密度の媒体にいる囚人のようになり、その中で伝播し、すべての曲がりを繰り返します。 この「光を保持する」効果は、水と空気の境界で絶えず反射し、水流から出ることができない水流内の光の伝播の例で見ることができます。 同様に、光信号は光グラスファイバーを介して伝送されます。 その中に入ると、光線はさまざまな方向に伝播します。 XNUMX つの媒質の境界に対して小さな角度で進む光線は、そこから完全に反射されます。 したがって、シェルはそれらをしっかりと保持し、ほぼ光の速度で信号を伝送するための不透明なチャネルを提供します。
完全に透明で均質な材料で作られた理想的なライトガイドでは、光波は弱まることなく伝播するはずですが、ほとんどすべての実際のライトガイドは、その不透明性と不均一性により、多かれ少なかれ強く電磁波を吸収および散乱します。 (吸収はファイバーの加熱として外部に現れます。散乱は放射線の一部がファイバーから離れるときに発生します。)窓、ショーケース、双眼鏡では非常に透明に見えるガラスは、実際には均一とは程遠いものです。 これは板ガラスの端から覗くとよく分かります。 この場合、そのかすかな青緑色がすぐに目立ちます。 研究によると、この着色はガラスに含まれる少量の鉄と銅が原因であることが示されています。 天体レンズや写真レンズ用に作られた最も純粋なガラスでさえ、大量の着色不純物を含んでいます。 このようなガラスで作られた最初のライトガイドでは、エネルギー損失が非常に大きかった（ライトガイド1 mあたりに導入された光の50％以上が失われた）。 しかし、この品質でも、湾曲したチャネルを介して光を透過したり、金属の空洞の内面を観察したり、人体の内臓の状態を調べたりすることを可能にするデバイスを作成することは可能でした。 しかし、幹線通信回線の作成には、このようなライトガイドはほとんど役に立ちませんでした。 1 km あたりに導入された光パワーの 1% を伝送できる光ファイバーの実験室サンプルを作成するのに約 XNUMX 年かかりました。 次の課題は、このファイバから実用に適したライトガイドケーブルを作り、放射線の発生源と受光器を開発することでした。 最も単純な光ファイバーは、透明な誘電体の細いフィラメントです。 伝送された光波は、ファイバーの軸に対して小さな角度で進行し、ファイバーの表面で全反射します。 ただし、このようなライトガイドは実験室でのみ使用できます。通常の条件下では、保護されていないガラス表面が徐々にほこりの粒子で覆われ、多くの欠陥が発生するためです。マイクロクラック、ファイバー内の光の全反射の条件に違反する不規則性、非常に強く光線を吸収および散乱します。 光ファイバーと保護されていないケーブルをサポートするサポートとの間の接触点では、大幅な追加の損失が発生します。
状況の根本的な変化は、XNUMX層のライトガイドの作成に関連していました。 このようなライトガイドは、透明なシースで囲まれたライトガイドストランドで構成されており、その屈折率はストランドの屈折率よりも低かった。 透明なシェルの厚さが透過光信号のいくつかの波長を超える場合、ほこりもこのシェルの外側の媒体の特性も、XNUMX層ライトガイド内の光波伝搬のプロセスに大きな影響を与えません。 これらのライトガイドは、ポリマーシースでコーティングして、実際のアプリケーションに適したライトガイドケーブルに変えることができます。 しかし、このためには、静脈と透明なシェルの間の境界の高い完成度を作成する必要があります。 最も単純なファイバー製造技術は、ガラスコアを屈折率の低いしっかりと取り付けられたガラス管に挿入することです。 次に、この構造が加熱されます。 1970 年、コーニング グラスは、光信号を長距離伝送するのに適したガラス ライト ガイドの開発を開拓しました。 そして 70 年代半ばまでに、超高純度石英ガラスで作られたライトガイドが作成され、その光強度は 6 km の距離でのみ半分になりました。 （このようなガラスの透明度は、次の例からわかります。厚さ 10 km の超透明な光学ガラスが窓に挿入されていると想像すると、厚さ XNUMX cm の通常の窓ガラスと同じように光が透過します。）
ライトガイドに加えて、光ファイバー通信システムには、光送信ユニット（システム入力に到着した電気信号が光パルスに変換される）と光受信ユニット（光信号を受信して電気パルスに変換する）が含まれます。 。 回線が長い場合は、中継器もその回線上で動作します。送信された信号を受信して増幅します。 放射線を光ファイバーに入力する装置には、直径が非常に小さく、焦点距離が数百ミクロンから数十ミクロンのレンズが広く使用されています。 放射線源には、搬送波発生器として機能するレーザーと発光ダイオードの XNUMX 種類があります。 送信された信号 (テレビ放送、電話での会話など) は、無線工学と同じ方法で変調され、搬送波に重畳されます。 ただし、情報をデジタルで送信する方がはるかに効率的です。 この場合も、電話での会話、印刷されたテキスト、音楽、テレビ番組、または絵画の画像など、どのような情報がこの方法で送信されるかはまったく問題ではありません。 信号をデジタル形式に変換する最初のステップは、特定の時間間隔でその値を決定することです。これは、信号のタイム サンプリングと呼ばれるプロセスです。 間隔 T が送信信号のスペクトルに含まれる最高周波数より少なくとも 2 倍小さい場合、この信号は歪みなく離散形式から復元できることが (数学的にも実際的にも) 証明されています。 つまり、送信される情報を損なうことなく、連続信号の代わりに、振幅のみが互いに異なる一連の非常に短いパルスを供給することができます。 しかし、これらの衝動をまさにこの形で伝達する必要はありません。 それらはすべて同じ外観を持ち、同じ時間間隔 T だけ相互にシフトされているため、信号全体を送信することはできず、信号の振幅値のみを送信することができます。 この例では、振幅は 0 つのレベルに分割されています。 これは、各パルスの値をバイナリ コードの数値として解釈できることを意味します。 この数値の値は通信回線を通じて送信されます。 各 1 進数の送信には 0 と 1 の 1 桁だけが必要なので、非常に単純化されます。3 は信号の不在に対応し、XNUMX は信号の存在に対応します。 この例では、各桁の送信には XNUMX/XNUMX T かかります。送信された信号は逆の順序で復元されます。 信号をデジタル形式で送信すると、歪みや干渉が事実上排除されるため、非常に便利です。
光通信システムはまだ比較的高価であり、普及の妨げとなっていますが、これが一時的な障害に過ぎないことは間違いありません。 そのメリットと利点は非常に明白であるため、将来的には確実に広く使用される必要があります。 まず第一に、光ファイバー ケーブルは干渉に非常に強く、軽量です。 大量生産の技術が習得されれば、原材料がすでにはるかに安価になっているため、現在使用されている電線よりもはるかに安価になる可能性があります。 しかし、それらの最も重要な利点は、膨大なスループットを備えていることです。単位時間内に、現在知られている通信方法では送信できないほど膨大な量の情報を通過させることができます。 これらすべての品質により、主にコンピューターユニットでの多面的なアプリケーションを備えた光ファイバー通信ラインが提供されるはずです（微細なライトガイドを使用するマイクロ回路の作成には、すでに多くの経験が蓄積されています。このようなマイクロ回路の速度は、従来のもの）、ケーブルテレビで。 次に、幹線の電話ケーブルが交換され、テレビ ケーブルが作成されます。 将来的には、これらすべてのネットワークを単一の情報ネットワークに統合することが期待されています。 多くの先進国 (主に米国) では、多くの電話通信回線が既にライト ガイドに置き換えられています。 都市光ファイバーネットワークの構築が実践されています。 そこで1976年、アメリカの大都市アトランタに都市デジタル光ファイバー電話通信システムが設置されました。 著者：Ryzhov K.V.
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