ऑप्टिकल संचार प्रणाली: उद्देश्य, निर्माण का इतिहास, लाभ

बिजली का कनेक्शन कैसे हुआ?

आधुनिक संचार प्रणालियों के प्रोटोटाइप पिछली शताब्दी में सामने आए और उनके टेलीग्राफ तारों के अंत तक पूरी दुनिया उलझ गई थी। उन पर सैकड़ों-हजारों टेलीग्राम प्रसारित किए गए, और जल्द ही टेलीग्राफ ने भार का सामना करना बंद कर दिया। प्रेषण में देरी हुई और अभी भी लंबी दूरी की टेलीफोन और रेडियो संचार नहीं था।

20वीं शताब्दी की शुरुआत में, इलेक्ट्रॉन ट्यूब का आविष्कार किया गया था। रेडियो तकनीक तेजी से विकसित होने लगी, इलेक्ट्रॉनिक्स की नींव रखी गई। सिग्नलर्स ने न केवल अंतरिक्ष (हवा के माध्यम से) के माध्यम से रेडियो तरंगों को प्रसारित करना सीखा है, बल्कि उन्हें तारों और संचार केबलों के माध्यम से भेजना भी सीखा है।

सूचना प्रसारण प्रणालियों - रैखिक उपकरणों के सबसे महंगे और अक्षम हिस्से को कॉम्पैक्ट करने के लिए रेडियो तरंगों का उपयोग आधार के रूप में कार्य करता है। "पैकेजिंग" जानकारी के विशेष तरीकों का उपयोग करते हुए, समय में आवृत्ति में लाइन को संपीड़ित करके, आज प्रति यूनिट समय पर एक लाइन पर हजारों विभिन्न संदेशों को प्रसारित करना संभव है। ऐसे संचार को मल्टीचैनल कहा जाता है।

विभिन्न प्रकार के संचार के बीच की सीमाएँ धुंधली होने लगीं। उन्होंने सामंजस्यपूर्ण रूप से एक दूसरे के पूरक, टेलीग्राफ, टेलीफोन, रेडियो और बाद में टेलीविजन, रेडियो रिले और बाद में उपग्रह, अंतरिक्ष संचार एक आम विद्युत संचार प्रणाली में एकजुट हो गए।

आधुनिक संचार प्रौद्योगिकियां

संचार चैनलों की सूचना तंगी

सूचना प्रसारण चैनलों में 3000 किमी से 4 मिमी की लंबाई वाली तरंगें काम करती हैं। उपकरण एक संचार चैनल पर प्रति सेकंड 400 मेगाबिट्स संचारित करने में सक्षम है (400 एमबीटी / एस 400 मिलियन बिट प्रति सेकंड है)। यदि हम इस क्रम में 1 बिट के लिए एक पत्र लेते हैं, तो 400 एमबीटी 500 संस्करणों की एक लाइब्रेरी बनायेगी, प्रत्येक में 20 मुद्रित शीट्स होंगी)।

क्या विद्युत संचार के वर्तमान साधन पिछली शताब्दी के उनके प्रोटोटाइप के समान हैं? शो जंपिंग प्लेन के समान ही। आधुनिक संचार चैनलों में उपकरणों की सभी पूर्णता के बावजूद, यह बहुत भीड़ है: पिछली शताब्दी के 90 के दशक की तुलना में बहुत करीब।

सिनसिनाटी, संयुक्त राज्य अमेरिका में टेलीग्राफ तार (20वीं सदी की शुरुआत)

एक महिला 28 मार्च, 1923 को हेडफोन के माध्यम से रेडियो सुनती है।

सूचना प्रसारण की बढ़ती आवश्यकता और संचार चैनलों में वर्तमान में उपयोग की जाने वाली भौतिक प्रक्रियाओं के मूल गुणों के बीच एक विरोधाभास है। "सूचना घनत्व" को पतला करने के लिए, उच्च और उच्च आवृत्तियों को मास्टर करने के लिए, छोटी और छोटी तरंगों को जीतना आवश्यक है। विद्युतचुंबकीय दोलनों की प्रकृति ऐसी होती है कि उनकी आवृत्ति जितनी अधिक होती है, संचार चैनल पर प्रति इकाई समय में उतनी ही अधिक जानकारी प्रसारित की जा सकती है।

लेकिन उन सभी बड़ी कठिनाइयों के साथ जिनका संचारकों को सामना करना पड़ता है: लहर में कमी के साथ, प्राप्त करने वाले उपकरणों के आंतरिक (आंतरिक) शोर में तेजी से वृद्धि होती है, जनरेटर की शक्ति कम हो जाती है, और दक्षता काफी कम हो जाती है। ट्रांसमीटर, और सभी बिजली की खपत का, केवल एक छोटा सा हिस्सा उपयोगी रेडियो तरंग ऊर्जा में परिवर्तित हो जाता है।

20,000 किलोमीटर (अक्टूबर 1930) से अधिक की सीमा के साथ जर्मनी में नौएन रेडियो स्टेशन के ट्यूब ट्रांसमिशन सर्किट का आउटपुट ट्रांसफार्मर

पहला UHF रेडियो संचार वेटिकन और पोप पायस XI, 1933 के ग्रीष्मकालीन निवास के बीच स्थापित किया गया था।

अल्ट्रा शॉर्ट वेव्स (UHF) रास्ते में अपनी ऊर्जा को विनाशकारी रूप से जल्दी खो देते हैं। इसलिए, संदेश संकेतों को बहुत बार प्रवर्धित और पुनर्जीवित (पुनर्स्थापित) करना पड़ता है। हमें जटिल और महंगे उपकरणों का सहारा लेना पड़ता है। रेडियो तरंगों की सेंटीमीटर रेंज में संचार, मिलीमीटर रेंज की तो बात ही छोड़ दें, कई बाधाओं का सामना करना पड़ता है।

विद्युत संचार चैनलों के नुकसान

लगभग सभी आधुनिक विद्युत संचार बहु-चैनल हैं। 400 एमबीपीएस चैनल पर प्रसारित करने के लिए, आपको रेडियो तरंगों की डेसीमीटर रेंज में काम करने की जरूरत है। यह केवल बहुत ही जटिल उपकरण और निश्चित रूप से, एक विशेष उच्च-आवृत्ति (समाक्षीय) केबल की उपस्थिति में संभव है, जिसमें एक या अधिक समाक्षीय जोड़े होते हैं।

प्रत्येक जोड़ी में, बाहरी और आंतरिक कंडक्टर समाक्षीय सिलेंडर होते हैं। ऐसे दो जोड़े एक साथ 3,600 फोन कॉल या कई टीवी कार्यक्रम प्रसारित कर सकते हैं। हालांकि, इस मामले में, संकेतों को हर 1.5 किमी पर बढ़ाया और पुनर्जीवित किया जाना चाहिए।

1920 के दशक में एक स्टाइलिश सिग्नलमैन

संचार चैनलों में केबल लाइनों का बोलबाला है। वे बाहरी प्रभावों, बिजली और चुंबकीय गड़बड़ी से सुरक्षित हैं। केबल संचालन में टिकाऊ और विश्वसनीय हैं, वे विभिन्न वातावरणों में बिछाने के लिए सुविधाजनक हैं।

हालांकि, केबल और संचार तारों का उत्पादन दुनिया के अलौह धातुओं के उत्पादन का आधे से अधिक हिस्सा लेता है, जिनके भंडार तेजी से घट रहे हैं।

धातु अधिक महंगी होती जा रही है। और केबलों का उत्पादन, विशेष रूप से समाक्षीय वाले, एक जटिल और अत्यंत ऊर्जा-गहन व्यवसाय है। और उनकी जरूरत बढ़ रही है। इसलिए, संचार लाइनों के निर्माण और उनके संचालन के लिए लागतों की कल्पना करना मुश्किल नहीं है।

न्यूयॉर्क, 1888 में एक केबल लाइन की स्थापना।

संचार नेटवर्क अब तक की सबसे शानदार और महंगी संरचना है जिसे मनुष्य ने पृथ्वी पर बनाया है। इसे आगे कैसे विकसित किया जाए, अगर पहले से ही XX सदी के 50 के दशक में यह स्पष्ट हो गया कि दूरसंचार अपनी आर्थिक व्यवहार्यता की दहलीज पर आ रहा है?

ट्रांसकॉन्टिनेंटल टेलीफोन लाइन, वेंडओवर, यूटा, 1914 का समापन।

संचार चैनलों में "सूचना घनत्व" को खत्म करने के लिए, विद्युत चुम्बकीय दोलनों की ऑप्टिकल रेंज का उपयोग करना सीखना आवश्यक था। आखिरकार, प्रकाश तरंगों में VHF की तुलना में लाखों गुना अधिक कंपन होता है।

यदि एक ऑप्टिकल संचार चैनल बनाया गया था, तो एक साथ कई हज़ार टेलीविज़न कार्यक्रमों और कई टेलीफोन कॉलों और रेडियो प्रसारणों को प्रसारित करना संभव होगा।

कार्य कठिन लग रहा था। लेकिन इसके समाधान के रास्ते में वैज्ञानिकों और सिग्नलमैन के सामने एक तरह की समस्याओं की भूलभुलैया खड़ी हो गई। XX सदियों कोई नहीं जानता कि इसे कैसे दूर किया जाए।

"सोवियत टेलीविजन और रेडियो" - "सोकोनिकी" पार्क, मास्को में प्रदर्शनी, 5 अगस्त, 1959।

लेजर

1960 में, एक अद्भुत प्रकाश स्रोत बनाया गया था - एक लेज़र या ऑप्टिकल क्वांटम जनरेटर (LQG)। इस उपकरण में अद्वितीय गुण हैं।

ऑपरेशन के सिद्धांत और विभिन्न लेज़रों के उपकरण के बारे में एक छोटे से लेख में बताना असंभव है। हमारी वेबसाइट पर लेसरों पर एक विस्तृत लेख पहले से ही मौजूद था: लेज़रों के संचालन का उपकरण और सिद्धांत... यहां हम खुद को केवल लेजर की उन विशेषताओं की गणना करने तक सीमित रखते हैं, जिन्होंने संचार कर्मियों का ध्यान आकर्षित किया है।

टेड मेमैन, पहले काम करने वाले लेजर के काउंटर-इंस्ट्रक्टर, 1960।

सबसे पहले, आइए विकिरण के सुसंगतता को बताएं। लेज़र प्रकाश लगभग एकवर्णी (एक रंग का) होता है और अंतरिक्ष समय में सबसे उत्तम सर्चलाइट के प्रकाश से कम विचलन करता है। लेजर की सुई बीम में केंद्रित ऊर्जा बहुत अधिक होती है। ये और लेजर के कुछ अन्य गुण थे जिन्होंने संचार कर्मचारियों को ऑप्टिकल संचार के लिए लेजर का उपयोग करने के लिए प्रेरित किया।

पहले मसौदे संक्षेप में इस प्रकार थे। यदि आप एक लेजर को एक जनरेटर के रूप में उपयोग करते हैं और इसके बीम को एक संदेश संकेत के साथ संशोधित करते हैं, तो आपको एक ऑप्टिकल ट्रांसमीटर मिलता है। बीम को प्रकाश रिसीवर की ओर निर्देशित करते हुए, हमें एक ऑप्टिकल संचार चैनल मिलता है। कोई तार नहीं, कोई केबल नहीं। संचार अंतरिक्ष (ओपन लेजर संचार) के माध्यम से होगा।

एक विज्ञान प्रयोगशाला में लेसरों के साथ अनुभव

प्रयोगशाला प्रयोगों ने शानदार ढंग से संचार कर्मियों की परिकल्पना की पुष्टि की। और जल्द ही इस रिश्ते को व्यवहार में परखने का अवसर मिला।दुर्भाग्य से, पृथ्वी पर खुले लेजर संचार के लिए सिग्नलमैन की उम्मीदें पूरी नहीं हुईं: बारिश, बर्फ, कोहरे ने संचार को अनिश्चित बना दिया और अक्सर इसे पूरी तरह से काट दिया।

यह स्पष्ट हो गया कि सूचना ले जाने वाली प्रकाश तरंगों को वातावरण द्वारा परिरक्षित किया जाना चाहिए। यह वेवगाइड्स की मदद से किया जा सकता है - अंदर पतली, समान और बहुत चिकनी धातु ट्यूब।

लेकिन इंजीनियरों और अर्थशास्त्रियों ने तुरंत ही बिल्कुल सहज और यहां तक ​​कि वेवगाइड बनाने में आने वाली कठिनाइयों को पहचान लिया। वेवगाइड्स सोने की तुलना में अधिक महंगे थे। जाहिर तौर पर खेल मोमबत्ती के लायक नहीं था।

उन्हें विश्व मार्गदर्शक बनाने के मौलिक रूप से नए तरीकों की तलाश करनी थी। यह सुनिश्चित करना था कि प्रकाश गाइड धातु से नहीं बने थे, लेकिन कुछ सस्ते, गैर-दुर्लभ कच्चे माल से बने थे। प्रकाश का उपयोग करके सूचना प्रसारित करने के लिए उपयुक्त ऑप्टिकल फाइबर विकसित करने में दशकों लग गए।

इस तरह का पहला फाइबर अल्ट्रा-प्योर ग्लास से बना है। एक दो-परत समाक्षीय कोर और खोल संरचना बनाई गई थी। कांच के प्रकारों को इसलिए चुना गया ताकि कोर में क्लैडिंग की तुलना में उच्च अपवर्तक सूचकांक हो।

ऑप्टिकल माध्यम में लगभग पूर्ण आंतरिक प्रतिबिंब

लेकिन अलग-अलग ग्लास कैसे कनेक्ट करें ताकि कोर और शेल के बीच की सीमा पर कोई दोष न हो? चिकनाई, एकरूपता और एक ही समय में अधिकतम फाइबर शक्ति कैसे प्राप्त करें?

वैज्ञानिकों और इंजीनियरों के प्रयासों से आखिरकार वांछित ऑप्टिकल फाइबर बनाया गया। आज, इसके माध्यम से सैकड़ों और हजारों किलोमीटर तक प्रकाश संकेत प्रसारित किए जाते हैं। लेकिन गैर-धात्विक (ढांकता हुआ) संवाहक मीडिया पर प्रकाश ऊर्जा के प्रसार के नियम क्या हैं?

फाइबर मोड

सिंगल-मोड और मल्टीमोड फाइबर ऑप्टिकल फाइबर से संबंधित हैं जिसके माध्यम से प्रकाश यात्रा करता है, कोर-क्लैडिंग इंटरफ़ेस पर बार-बार आंतरिक प्रतिबिंब के कार्यों का अनुभव करता है (विशेषज्ञों का अर्थ है "मोड" द्वारा रेज़ोनेटर सिस्टम के प्राकृतिक दोलन)।

तन्तु की विधाएँ इसकी अपनी तरंगें हैं, अर्थात्। वे जो फाइबर के कोर द्वारा कब्जा कर लिए जाते हैं और फाइबर के साथ इसकी शुरुआत से लेकर इसके अंत तक फैल जाते हैं।

फाइबर का प्रकार इसके डिजाइन द्वारा निर्धारित किया जाता है: वे घटक जिनसे कोर और क्लैडिंग बनाई जाती है, साथ ही फाइबर के आयामों का उपयोग तरंग दैर्ध्य के अनुपात में होता है (अंतिम पैरामीटर विशेष रूप से महत्वपूर्ण है)।

सिंगल-मोड फाइबर में, कोर व्यास प्राकृतिक तरंग दैर्ध्य के करीब होना चाहिए। कई तरंगों में से, फाइबर का कोर अपनी स्वयं की तरंगों में से केवल एक को पकड़ता है। इसलिए, फाइबर (लाइट गाइड) को सिंगल-मोड कहा जाता है।

यदि कोर का व्यास एक निश्चित तरंग की लंबाई से अधिक है, तो फाइबर एक साथ कई दसियों या सैकड़ों विभिन्न तरंगों का संचालन करने में सक्षम होता है। इस तरह मल्टीमोड फाइबर काम करता है।

ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से प्रकाश द्वारा सूचना का प्रसारण

प्रकाश को ऑप्टिकल फाइबर में केवल उपयुक्त स्रोत से इंजेक्ट किया जाता है। बहुधा — एक लेज़र से। लेकिन स्वभाव से कुछ भी परफेक्ट नहीं होता। इसलिए, लेजर बीम, इसकी अंतर्निहित मोनोक्रोमैटिकता के बावजूद, अभी भी एक निश्चित आवृत्ति स्पेक्ट्रम होता है, या दूसरे शब्दों में, तरंग दैर्ध्य की एक निश्चित सीमा का उत्सर्जन करता है।

लेजर के अलावा ऑप्टिकल फाइबर के लिए प्रकाश स्रोत के रूप में क्या काम कर सकता है? उच्च चमक एलईडी। हालाँकि, उनमें विकिरण की दिशा लेज़रों की तुलना में बहुत कम है।इसलिए, लेजर की तुलना में गाए गए डायोड द्वारा दसियों और सैकड़ों गुना कम ऊर्जा फाइबर में पेश की जाती है।

जब एक लेजर बीम को फाइबर के कोर पर निर्देशित किया जाता है, तो प्रत्येक तरंग इसे कड़ाई से परिभाषित कोण पर मारती है। इसका मतलब यह है कि एक ही समय अंतराल के लिए अलग-अलग ईजेनवेव्स (मोड) अलग-अलग लंबाई के फाइबर (इसकी शुरुआत से अंत तक) पथ से गुजरते हैं। यह तरंग फैलाव है।

और संकेतों का क्या होता है? एक ही समय अंतराल के लिए फाइबर में एक अलग पथ से गुजरते हुए, वे विकृत रूप में रेखा के अंत तक पहुंच सकते हैं।विशेषज्ञ इस घटना मोड फैलाव को कहते हैं।

रेशों का कोर और म्यान जैसा होता है। पहले ही उल्लेख किया गया है, वे विभिन्न अपवर्तक सूचकांकों के साथ कांच के बने होते हैं। और किसी भी पदार्थ का अपवर्तनांक प्रकाश की तरंग दैर्ध्य पर निर्भर करता है जो पदार्थ को प्रभावित करता है। इसलिए, पदार्थ का फैलाव होता है, या दूसरे शब्दों में, भौतिक फैलाव होता है।

वेवलेंथ, मोड, भौतिक फैलाव तीन कारक हैं जो ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से प्रकाश ऊर्जा के संचरण को नकारात्मक रूप से प्रभावित करते हैं।

सिंगल-मोड फाइबर में कोई मोड फैलाव नहीं है। इसलिए, ऐसे फाइबर मल्टीमोड फाइबर की तुलना में प्रति यूनिट समय में सैकड़ों गुना अधिक सूचना प्रसारित कर सकते हैं। तरंगों और सामग्रियों के फैलाव के बारे में क्या?

एकल-मोड तंतुओं में, यह सुनिश्चित करने का प्रयास किया जाता है कि, कुछ शर्तों के तहत, तरंग और भौतिक फैलाव एक दूसरे को रद्द कर दें। इसके बाद, ऐसा फाइबर बनाना संभव हो गया, जहां मोड और तरंग फैलाव का नकारात्मक प्रभाव काफी कमजोर हो गया। आपने इसे कैसे प्रबंधित किया?

हमने परवलयिक कानून के अनुसार अक्ष (त्रिज्या के साथ) से इसकी दूरी में बदलाव के साथ फाइबर सामग्री के अपवर्तक सूचकांक में परिवर्तन की निर्भरता के ग्राफ का चयन किया। कोर-क्लैडिंग इंटरफ़ेस पर कई कुल प्रतिबिंब कार्यों का अनुभव किए बिना प्रकाश ऐसे फाइबर के साथ यात्रा करता है।

संचार वितरण कैबिनेट। पीले केबल सिंगल-मोड फाइबर हैं, नारंगी और नीले केबल मल्टीमोड फाइबर हैं

ऑप्टिकल फाइबर द्वारा कैप्चर किए गए प्रकाश के पथ अलग-अलग होते हैं। कुछ किरणें कोर की धुरी के साथ फैलती हैं, इससे एक दिशा या दूसरी समान दूरी ("साँप") में विचलित होती हैं, अन्य जो तंतुओं की धुरी को पार करते हुए विमानों में पड़ी होती हैं, सर्पिल का एक समूह बनाती हैं। कुछ की त्रिज्या स्थिर रहती है, दूसरों की त्रिज्या समय-समय पर बदलती रहती है। ऐसे तंतुओं को अपवर्तक या ढाल कहा जाता है।

जानना बहुत जरूरी है; किस सीमित कोण पर प्रकाश को प्रत्येक ऑप्टिकल फाइबर के अंत में निर्देशित किया जाना चाहिए। यह निर्धारित करता है कि फाइबर में कितना प्रकाश प्रवेश करेगा और ऑप्टिकल लाइन के शुरू से अंत तक आयोजित किया जाएगा। यह कोण फाइबर के संख्यात्मक एपर्चर (या बस - एपर्चर) द्वारा निर्धारित किया जाता है।

ऑप्टिकल संचार

एफओसीएल

ऑप्टिकल संचार लाइनों (एफओसीएल) के रूप में, ऑप्टिकल फाइबर, जो स्वयं पतले और नाजुक होते हैं, का उपयोग नहीं किया जा सकता है। फाइबर का उपयोग ऑप्टिकल फाइबर केबल (FOC) के उत्पादन के लिए कच्चे माल के रूप में किया जाता है। FOCs विभिन्न प्रकार के डिज़ाइन, आकार और उद्देश्यों में निर्मित होते हैं।

ताकत और विश्वसनीयता के मामले में, एफओसी अपने धातु-गहन प्रोटोटाइप से कम नहीं हैं और उसी वातावरण में रखे जा सकते हैं जैसे धातु कंडक्टर के साथ केबल - हवा में, भूमिगत, नदियों और समुद्र के तल पर। WOK ज्यादा आसान है।महत्वपूर्ण रूप से, FOC विद्युत गड़बड़ी और चुंबकीय प्रभावों के प्रति पूरी तरह असंवेदनशील हैं। आखिरकार, मेटल केबल्स में इस तरह के हस्तक्षेप से निपटना मुश्किल है।

1980 और 1990 के दशक में पहली पीढ़ी के ऑप्टिकल केबलों ने स्वचालित टेलीफोन एक्सचेंजों के बीच समाक्षीय राजमार्गों को सफलतापूर्वक बदल दिया। इन लाइनों की लंबाई 10-15 किमी से अधिक नहीं थी, लेकिन मध्यवर्ती पुनर्योजी के बिना सभी आवश्यक सूचनाओं को प्रसारित करना संभव हो जाने पर सिग्नलमैन ने राहत की सांस ली।

संचार चैनलों में "रहने की जगह" की एक बड़ी आपूर्ति दिखाई दी, और "सूचना तंगी" की अवधारणा ने इसकी प्रासंगिकता खो दी। हल्का, पतला और काफी लचीला, FOC मौजूदा भूमिगत टेलीफोन में बिना किसी कठिनाई के बिछाया गया था।

स्वचालित टेलीफोन एक्सचेंज के साथ, सरल उपकरण जोड़ना आवश्यक था जो ऑप्टिकल सिग्नल को इलेक्ट्रिकल (पिछले स्टेशन से इनपुट पर) और इलेक्ट्रिकल को ऑप्टिकल (आउटपुट पर अगले स्टेशन पर) में परिवर्तित करता है। सभी स्विचिंग उपकरण, सब्सक्राइबर लाइन और उनके टेलीफोन में कोई बदलाव नहीं किया गया है। सब कुछ निकला, जैसा कि वे कहते हैं, सस्ता और हंसमुख।

शहर में फाइबर ऑप्टिक केबल की स्थापना

ओवरहेड ट्रांसमिशन लाइन के समर्थन पर ऑप्टिकल केबल की स्थापना

आधुनिक ऑप्टिकल संचार लाइनों के माध्यम से, सूचना को एनालॉग (निरंतर) रूप में नहीं, बल्कि असतत (डिजिटल) रूप में प्रेषित किया जाता है।

ऑप्टिकल संचार लाइनों, उन्होंने पिछले 30-40 वर्षों में सूचना प्रसारण चैनलों में "सूचना की जकड़न" की समस्या को समाप्त करने के लिए संचार प्रौद्योगिकियों में क्रांतिकारी परिवर्तन और अपेक्षाकृत जल्दी से लंबे समय तक चलने की अनुमति दी।संचार और प्रसारण के सभी साधनों में, सूचना, ऑप्टिकल संचार लाइनें एक प्रमुख स्थान रखती हैं और पूरे XXI सदी में हावी रहेंगी।

इसके अतिरिक्त:

ऑप्टिकल फाइबर पर सूचना के रूपांतरण और प्रसारण का सिद्धांत

ऑप्टिकल केबल - उपकरण, प्रकार और विशेषताएं