В 1877 году в своей книге «Анти-Дюринг» немецкий историк и философ Фридрих Энгельс писал:
«Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их природой».
Это определение жизни справедливо как для биологического уровня, так и для социального. Другими словами, жизнь невозможна без передачи информации между разными организмами.
«Природная» связь
Передача информации в живых организмах основана на электро-химических реакциях и протекает сравнительно медленно – сигнал по нервной системе передается со скоростью 0,05 – 0,1 м/с.
За сотни миллионов лет эволюции природа предоставила довольно скромные возможности живым организмам для передачи информации. Во-первых, это запахи. Многие дикие животные, насекомые и даже растения способны распространять их на сотни метров и даже километров. Во-вторых, это звуковые волны. Ультразвуковые колебания (свыше 20 кГц) летучие мыши используют для определения своего положения; у дельфинов существует сложный «ультразвуковой» язык общения; слоновьи стада следят за передвижениями своих сородичей за десятки километров по инфразвуковым колебаниям (ниже 20 Гц) почвы. В-третьих, визирование окружающего мира органами зрения (тут нет равных орлам и их пернатым сородичам).
Способности человека в том, что касается этих каналов передачи информации, достаточно скромны. Вплоть до XVIII века люди для пере- дачи сигналов использовали огонь на вершинах гор, маяки, солнечный свет, различные зеркальные системы, семафоры и т.д.
На одной волне
Великие открытия в области электротехники в XVIII веке способствовали изобретению телеграф- ной связи. Первый электромагнитный телеграф создал российский ученый Павел Шиллинг в 1832 году. Он разработал оригинальный код, в котором каждой букве алфавита соответствовала определенная комбинация символов, которая могла проявляться черными и белыми кружками на телеграфном аппарате. Впоследствии электро- магнитный телеграф был построен в Германии Карлом Гауссом и Вильгельмом Вебером (1833 г.), в Великобритании — Уильямом Куком и Чарльзом Уитстоном (1837 г.), а в США электромагнитный телеграф запатентовал Сэмюэл Морзе (1840 г.). В 1858 году была установлена трансатлантическая телеграфная связь. Затем был проложен кабель в Африку, что позволило в 1870 году установить прямую телеграфную связь Лондон – Бомбей.
Изобретателем телефона считается Александр Грэм Белл – ученый шотландского происхождения, который получил патент на первый телефон в 1876 году. Белл назвал свое изобретение «усовершенствованной моделью телеграфа».
Несмотря на кажущуюся с позиций современного человека примитивность устройств электросвязи того времени, а также их ничтожную пропускную способность, эти изобретения повлияли практически на все сферы деятельности людей.
Следующим важным шагом в развитии связи стало изобретение радио. В опытах, проведенных в физическом кабинете, а затем в саду Минного офицерского класса, прибор Александра Попова обнаруживал излучение радиосигналов, посылаемых передатчиком, на расстоянии до 60 м. На заседании Русского физико-химического общества в Петербурге 25 апреля 1895 года Александр Попов продемонстрировал, как указано в протоколе, «прибор, предназначенный для показывания быстрых колебаний в атмосферном электричестве». Работая над своим изобретением, Попов вскоре добился дальности связи более 600 м. Затем на маневрах Черноморского флота в 1899 году ученый установил радиосвязь на расстоянии свыше 20 км, а в 1901 году дальность радиосвязи была уже 150 км. При участии А. С. Попова началось внедрение радиосвязи на флоте и в армии России.
Вспомним физические принципы организации беспроводной связи. В ее основе лежит использование электромагнитных волн, представляющих собой распространение в пространстве меняющихся взаимосвязанных электрических и магнитных полей. Меняющееся во времени электрическое поле вызывает появление переменного магнитного поля и наоборот. Виды электромагнитных волн приведены в таблице ниже.
Низкочастотные электромагнитные волны широкого практического применения не нашли в связи со сложностью и громоздкостью аппаратуры приема-передачи. Есть примеры использования этих волн для передачи информации при подземной добыче и при связи с глубоководными объектами (подводные лодки, батискафы).
Освоив в первой половине XX века диапазон радиоволн, связисты стали активно штурмовать диапазон микроволн (дециметровые, сантиметровые и миллиметровые волны). Причина этого проста – чем выше несущая частота колебаний электромагнитной волны, тем больше возможный объем пере- даваемой информации. Как гласит знаменитая теорема Котельникова:
непрерывный сигнал с ограниченным спектром можно точно восстановить по его дискретным отчетам, если они были взяты с частотой дискретизации, превышающей максимальную частоту сигнала минимум в два раза! Много лет теорема не была востребована – вплоть до прихода цифровой эпохи. Сейчас она лежит в основе построения всех цифровых систем.
Освоение диапазона с длиной волны менее миллиметра на основе СВЧ и полупроводниковых приборов оказалось сложной на практике технической задачей. Как показали расчеты – наибольший практический интерес представляет инфракрасное излучение. Видимый свет, ультрафиолетовое и др. виды излучения сопровождаются большими потерями и на практике не применимы.
Эпоха лазеров
Современная эра оптической связи началась с изобретения в 1958 году лазера. В 1964 году советским физикам Александру Прохорову и Николаю Басову, а также американцу Чарлзу Тауэнсу была вручена Нобелевская премия за создание оптического квантового генератора. По сравнению с оптическим излучением обычных источников, лазерное излучение облада- ет высокой монохроматичностью и когерентностью и имеет высокую интенсивность. В это же время были разработаны элементы приемника в виде полупроводниковых фотодиодов и полупроводниковых лазеров, большой вклад в создание которых внес советский и российский ученый и нобелевский лауреат Жорес Алферов.
Тогда оставалась нерешенной еще одна проблема – разработка подходящей передающей среды. Для этих целей исследовались стеклянные световоды. Однако ученые пришли к выводу, что высокий уровень затухания, присущий первым волокнам (около 1000 дБ/км), связан с присутствующими в стекле примесями. Дальность связи не превышала десятков метров.
В 1970 году фирма Корнинг Инкорпорэйтид произвела оптические волокна с коэффициентом затухания менее 20 дБ/км. Уже в 1972 году световоды имели затухание 4 дБ/км. В настоящее время в световодах достигнут коэффициент затухания 0,2 дБ/км и менее, а дальность передачи сигнала без его ре- генерации (восстановления) может достигать более 300 км! При этом значительно усовершенствовалась элементная база оптических передатчиков и приемников: увеличились их мощность, чувствительность и срок службы.
Соответствующая кабельная технология в сочетании с разъемными и неразъемными соединениями для оптических волокон сделала возможным успешное внедрение этой новой среды распространения. Сейчас объем информации передаваемой по одному волокну превышает 1000 Гбит/с, но как утверждают ученые, это не предел.
Почти со скоростью света
Основным элементом волоконно-оптического кабеля (ВОК), является волоконный световод или оптическое волокно (ОВ), которое состоит из сердцевины, оболочки и защитного покрытия. Сердцевина ОВ – это центральная область, через которую передается основная часть оптической мощности сигнала. Материалом для сердцевины и оболочки ОВ служит кварцевое стекло с разными оптическими показателями преломления n1 и n2. Диаметр сердцевины световода составляет 8 – 10 мкм, диаметр оболочки – 125 мкм, диаметр волокна по защитному покрытию – 250 мкм. Передача информации по ОВ основано на явлении полного внутреннего отражения.
В настоящее время волоконно- оптические линии связи (ВОЛС) связывают континенты.
Интересно, что у оптического волокна было обнаружено еще одно удивительное свойство – на основе ВОЛС создаются системы акустического мониторинга линейных объектов. Они используют в качестве распределенного акустического датчика волоконно-оптический кабель, проложенный вдоль линейного объекта – авто- и железных дорог, нефте- и газопроводов, горнотехнических объектов и т.д. С помощью оптического рефлектометра автоматически фиксируются на участках в десятки километров любые события, вызывающие вибрацию грунта – передвижение пешеходов, работа дорожной, горной и строительной техники и т.д. Система мониторинга также может использоваться для контроля функционирования оборудования, его позиционирования, маркшейдерских и геодезических измерений и многого другого. При этом электропитания в точках измерений не требуется.
Но что впереди? Квантовые компьютеры! Они открывают двери к гораздо более быстрому и эффективному обучению моделей искусственного интеллекта и могут обрабатывать огромное количество информации одновременно. Те задачи, которые современный суперкомпьютер будет решать сотни лет, квантовый одолеет за несколько дней. Можно только догадываться, какими возможностями будет обладать Сеть, чьи пользователи получат доступ к квантовым вычислениям через Интернет. Безусловно, она потребует новых решений для построения волоконно-оптических линий связи.
И этого в области передачи информации человечество добилось всего за 200 лет, используя электричество, радиоволны и свет в оптическом волокне. А чего еще мы можем достичь, применив другие физические принципы, например, «оседлав» гравитационные волны? На эти вопросы предстоит ответить будущим поколениям ученых.
Владимир Лядский, доцент кафедры автоматики и компьютерных технологий УГГУ, кандидат технических наук.
