От сигнальных костров — к магистральным оптическим сетям связи. Эволюция технологий передачи данных.
Вопрос быстрой и достоверной передачи информации — один из самых важных в развитии отрасли связи. В древние времена люди нуждались в передаче сообщений на расстояние, но их возможности были ограничены сигнальными кострами, дымовыми сигналами, маяками. Чуть позже появилось почтовое сообщение, которое дошло до наших дней в почти неизменном виде. На протяжении многих столетий человечество поэтапно осваивало новые виды передачи информации, с каждым разом методы работали эффективнее, а сообщения от отправителя до адресата доходили все быстрее:
- в 60-е годы XVII века Роберт Гук изобрел первый акустический (струнный) телефон. Аппарат состоял из двух диафрагм, соединенных между собой тугой струной или проволокой. Диафрагма принимала звуковые волны, как ушная раковина, а шнур передавал звук на расстояние;
- в 1792 году братья Шапп создали первую оптическую телеграфную систему, состоящую из сети башен на возвышенности. Информация от одной башни к другой передавалась с помощью поворотных индикаторных рычагов или специальных панелей, которые блокировали или пропускали свет. Клод Шапп изобрел специальную таблицу кодов, в которой каждой букве алфавита соответствовала определенная фигура, образуемая семафором, в зависимости от положений панелей относительно опорного шеста. Система французских изобретателей Шапп позволила передавать информацию со скоростью два слова в минуту;
- в 1858 году проложен первый трансатлантический телеграфный кабель между Соединенными Штатами Америки и Англией;
- в 1876 году Александр Грэйам Белл изобрел первый телефон;
- в 1877 году Томас Эдиссон успешно провел эксперимент записи и последующей передачи звука с помощью акустического фонографа;
- в 1880 году изобретатель первого телефона Александр Грэйам Белл усовершенствовал изобретение и назвал его «фотофон». Устройство могло передавать звук в луче света. Совершив звонок по фотофону, Белл первым вошел в эру беспроводных звонков. С фотофона началась скоростная телеграфия: радио, первый трансконтинентальный телефонный звонок, телевидение, первые видеофоны, коммерческая радиотелефония и, наконец, волоконно-оптическая связь.
В первой половине XX века для передачи сигнала использовался коаксиальный медный кабель, а носителем информации был электрический сигнал. Но при передаче сигнала на длинные расстояния в электрических системах человечество столкнулось с проблемой затухания. Позднее решение было найдено — передача информации при помощи электромагнитного излучения, то есть света.
1934 год стал прорывом в области связи. Инженер фирмы AT&T Норман Френч запатентовал концепцию передачи сигнала связи по тонкой нити из стекла. Но проблема заключалась в том, что на тот момент времени не было доступных прозрачных материалов с низким затуханием и источника света, чтобы технологию применить в реальной жизни.
- 1950-е годы — советские физики Александр Прохоров, Николай Басов и американский ученый Чарльз Таунс провели исследования о возможности создания квантового усилителя СВЧ-излучения, работающего на пучке молекул аммиака. В 1964 году ученые получили Нобелевскую премию по физике «За фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию генераторов и усилителей на лазерно-мазерном принципе». Премию разделили, потому что советские физики и Таунс занимались одним и тем же исследованием параллельно, не имея возможности общаться и обмениваться научными достижениями из-за железного занавеса. Их труды стали основой для дальнейших разработок лазера.
- май 1960 года — Теодор Х. Майман из корпорации Hughes Aircraft изобрел первый в мире лазер с активной среды из рубина.
- декабрь 1960 года — в Bell Laboratories заработал гелий-неоновый лазер, созданный Али Джаваном, Уильямом Беннеттом и Дональдом Хэрриотом.
- 1963 год — советский физик Жорес Алферов и немецкий физик Герберт Крёмер независимо друг от друга разработали теорию полупроводниковых гетероструктур, на основании которой позднее были созданы многие полупроводниковые лазеры. Дальнейшее развитие лазеров позволило сделать их компактными, эффективными и коммерчески доступными. За исследования гетероструктур в 2000 году Алферов получил Нобелевскую премию по физике.
- 1966 год — Чарльз Као Куэн (инженер-физик, автор исследований в области разработки и практического применения волоконно-оптических технологий) представил оптические нити из стекла, которые имели высокое затухание (1000 дБ/км) из-за примесей. Затухание в медном коаксиальном кабеле в то время составляло 5–10 дБ/км.
- 1970 год — компания Corning Incorporated разработала оптический кабель со ступенчатым профилем показателя преломления, затухание в котором составляло около 20 дБ/км на длине волны 633 нм. Такой показатель затухания был допустимым для передачи сигнала в волоконно-оптических сетях связи.
С 1970-х годов оптическое многомодовое волокно стало выгодной альтернативой коаксиальному медному кабелю для передачи информации на большие расстояния. Связано это с тем, что волокно стоит дешевле, обладает большей помехоустойчивостью, меньшими потерями и более широкой полосой пропускания.
В результате исследований, проведенных в 1975—1980 годы, появилась первая коммерческая волоконно-оптическая система, работающая на длине волны 0,8 мкм. В системе использовался полупроводниковый лазер на основе арсенида галлия (GaAs), скорость передачи равнялась 45 Мбит/с, а расстояние между регенерационными узлами составляло 10 км. 22 апреля 1977 года американская компания General Telephone and Electronics впервые использовала оптический канал для передачи телефонного трафика со скоростью 6 Мбит/с. Но первая оптическая линия связи была запущена в СССР в 1977 году в Зеленограде. Канал соединял Северную промышленную зону и администрацию города. Линия связи была построена из оптического кабеля, разработанного особым конструкторским бюро кабельной промышленности (ОКБ КП), входящего в концерн «Радиоэлектронные технологии» (КРЭТ) госкорпорации Ростех.
Коммерческое использование волоконно-оптические системы связи получили в 1980-х. Доминирующими технологиями стали Ethernet и Fibre Channel, скорость передачи составляла от 10 до 100 Мбит/с. В качестве источника сигнала применялись относительно недорогие лазеры VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), работающие на длине волны 850 нм. Но основными факторами, ограничивающими дальность передачи в многомодовых волокнах, стали затухание оптоволокна (потери ~ 4 дБ/км) и межмодовая дисперсия. С появлением InGaAsP-лазеров, работающих на длине волны 1,3 мкм, и в результате отработки технологии соединения одномодовых волокон появилась потребность в создании волокна, приспособленного к передаче сигнала в спектральной области с более низкими потерями . Это привело к созданию волокна G.652 SSMF (Standard Single Mode Fiber) — оптимизированного для передачи одного канала на длине волны 1310 нм с нулевой дисперсией (потери ~ 0,5 дБ/км). В 1987 году такие системы работали на скорости до 1,7 Гбит/с при расстоянии между регенерационными узлами до 50 км. Скорость передачи данных превысила Мбит/с, началась гигабитная эра.
В 1988 году была завершена прокладка первой в мире трансокеанической волоконно-оптической линии связи, ее длина составила около 10 тысяч километров. В этом же году был введен в эксплуатацию первый трансатлантический телефонный оптический кабель (TAT-8), который разрабатывался как первый подводный волоконно-оптический кабель между Соединенными Штатами Америки и Европой.
С развитием лазеров на длине волны 1550 нм все системы перешли к работе вблизи следующего локального минимума потерь — третьего окна прозрачности (потери ~ 0,2 дБ/км), что позволило существенно увеличить дальность передачи сигнала. В одномодовом волокне ограничивающим фактором передачи данных, кроме затухания, оказалась хроматическая дисперсия. Перед разработчиками волокна встала новая задача — создание волокна с длиной волны нулевой дисперсии, попадающей внутрь этого окна. В итоге было создано волокно со смещенной дисперсией DSF (Dispersion Shifted Fiber), оптимизированное для работы в диапазоне длин волн ~ 1550 нм по дисперсии.
С приходом DWDM-систем (Dense Wave Division Multiplexing) от массового применения DSF-волокон пришлось отказаться из-за колосального воздействия нелинейных эффектов. На смену DSF пришли волокна NZDSF (Non Zero Dispersion Shifted Fiber), которые позволили передавать сигналы с канальной скоростью до 10 Гбит/с без компенсации дисперсии на расстояние до 150 км.
С развитием когерентных систем связи дисперсия перестала быть ограничивающим фактором, канальная скорость достигла 100 Гбит/с. Началась эра сверхвысоких скоростей и быстрого увеличения пропускной способности волоконно-оптических сетей с ростом объемов трафика. Подробнее о технологии DWDM мы расскажем в следующих статьях.
Также приглашаем вас на нашу образовательную платформу https://e-learning.t8.ru, на которой наши специалисты в коротких видео-уроках пошагово разбирают технологию DWDM.
Это команда Т8, до встречи!
#Т8 #технологиибесконечности #DWDM #историясвязи