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HISTOIRE DE LA TECHNOLOGIE, TECHNOLOGIE, OBJETS AUTOUR DE NOUS
Ligne de communication à fibre optique. Histoire de l'invention et de la production
Annuaire / L'histoire de la technologie, de la technologie, des objets qui nous entourent La ligne de communication (transmission) à fibre optique est un système à fibre optique composé d'éléments passifs et actifs, conçu pour transmettre des informations dans la plage optique (généralement proche infrarouge).
Au XXe siècle, l'humanité a connu un énorme bond dans le développement de divers types de communication, en particulier la téléphonie, la radio et la télévision. Grâce à eux, ainsi qu'à l'émergence d'un système de communication spatiale par satellite, l'homme moderne a reçu une opportunité inaccessible aux générations précédentes de communiquer avec les coins les plus éloignés et les plus reculés de la planète, de voir, d'entendre et de savoir tout ce qui se passe dans le monde. Cependant, avec tous les avantages des types de communication traditionnels, chacun d'eux présente un certain nombre d'inconvénients, qui deviennent de plus en plus sensibles à mesure que le volume d'informations transmises augmente. Malgré les dernières technologies, qui peuvent considérablement condenser les informations transmises sur le câble, les principales lignes téléphoniques sont encore souvent surchargées. On peut dire à peu près la même chose de la radio et de la télévision, dans lesquelles les signaux d'information sont acheminés à l'aide d'ondes électromagnétiques : un nombre toujours croissant de chaînes de télévision et de stations de radio, de diffusion et de service, a conduit à des interférences mutuelles, à une situation appelée ". Ce fut l'une des impulsions pour le développement de plus en plus de bandes d'ondes radio à ondes courtes. C'est connu : plus les ondes utilisées pour la diffusion sont courtes, plus les stations radio sans interférence mutuelle peuvent tenir dans une plage donnée (cela est facile à voir en tournant le réglage radio : si on ne peut attraper que quelques stations radio sur les ondes longues, alors il existe déjà des dizaines de stations de radio de ce type sur des ondes courtes et ultracourtes et des centaines, elles "s'assoient littéralement sur chaque millimètre"). Un autre inconvénient des types de communication traditionnels est qu'il n'est généralement pas rentable d'utiliser des ondes rayonnées dans l'espace libre pour transmettre des informations. Après tout, l'énergie par une certaine zone du front d'une telle onde diminue à mesure que le front d'onde augmente. Pour une onde sphérique (c'est-à-dire qui se propage uniformément dans toutes les directions à partir de la source), l'atténuation est inversement proportionnelle au carré de la distance entre la source d'onde et le récepteur. En conséquence, la technologie radio moderne dépense beaucoup d'argent pour isoler et amplifier un signal utile. Une image complètement différente serait si les informations étaient envoyées par un faisceau ou un faisceau dirigé étroit. Les pertes dans ce cas seraient bien moindres. Ces lacunes suggèrent que l'humanité est sur le point de vivre une révolution importante dans le système de communication, ce qui conduira au fait qu'au XNUMXe siècle, l'optoélectronique deviendra son type principal, qui ne présente pas toutes ces lacunes. On s'attend à ce que déjà dans les premières décennies du siècle à venir, tous les nouveaux systèmes téléphoniques, de télévision et informatiques soient connectés par des câbles à fibres optiques utilisant le rayonnement laser comme support d'information. L'ère de la communication optique moderne a commencé en 1960 avec la création du premier laser. L'invention des lasers en général a fait naître l'espoir d'un dépassement rapide et facile des problèmes de "l'encombrement de l'éther". En effet, l'utilisation des ondes micrométriques de la lumière visible pour les besoins de communication au lieu des ondes radio centimétriques et millimétriques a permis d'augmenter le volume d'informations transmises presque indéfiniment. Par exemple, un système de communication laser hélium-néon a une bande passante pouvant accueillir simultanément environ un million de chaînes de télévision. Cependant, les premières expériences ont dissipé les illusions roses. Il s'est avéré que l'atmosphère terrestre absorbe et diffuse très activement le rayonnement optique et que les lasers (si le faisceau se propage directement dans l'air) ne peuvent être utilisés pour les besoins de communication que sur une très courte distance (en moyenne, pas plus de 1 km). Tous les tentatives n’ont pas réussi à surmonter cette difficulté. Ce fut le cas lorsqu'en 1966, deux scientifiques japonais, Kao et Hokema, proposèrent d'utiliser de longues fibres de verre, similaires à celles déjà utilisées en endoscopie et dans d'autres domaines, pour transmettre le signal lumineux. Leur article a jeté les bases des communications par fibre optique. Quelle est la base de l'action des guides de lumière ? Il est bien connu de l'optique que si un faisceau lumineux est dirigé d'un milieu plus dense vers un milieu moins dense (par exemple, de l'eau ou du verre dans l'air), alors une partie importante de celui-ci est réfléchie depuis la limite des deux milieux . Dans ce cas, plus l'angle d'incidence du faisceau est petit, plus la plus grande partie du flux lumineux sera réfléchie. Par expérience, on peut choisir un angle aussi doux auquel toute la lumière est réfléchie et seule une partie insignifiante de celle-ci passe d'un milieu plus dense à un milieu moins dense. Dans ce cas, la lumière se révèle comme prisonnière dans un milieu dense et s'y propage en répétant tous ses détours. Cet effet de "retenir la lumière" peut être vu dans l'exemple de la propagation de la lumière à l'intérieur d'un jet d'eau, qu'elle ne peut pas quitter, se reflétant constamment à la frontière de l'eau et de l'air. De la même manière, un signal lumineux est transmis à travers une fibre optique en verre. En pénétrant à l'intérieur, le faisceau lumineux se propage dans différentes directions. Les rayons se déplaçant à un petit angle vers la limite de deux milieux sont complètement réfléchis par celle-ci. Ainsi, la coque les maintient fermement, offrant un canal opaque pour la transmission du signal à presque la vitesse de la lumière.
Dans des guides de lumière idéaux, constitués d'un matériau absolument transparent et homogène, les ondes lumineuses devraient se propager sans s'affaiblir, mais presque tous les guides de lumière réels absorbent et diffusent plus ou moins fortement les ondes électromagnétiques en raison de leur opacité et de leur hétérogénéité. (L'absorption apparaît à l'extérieur sous forme de chauffage de la fibre ; la diffusion se produit lorsqu'une partie du rayonnement quitte la fibre.) Le verre qui apparaît si transparent dans les fenêtres, les vitrines et les jumelles est en réalité loin d'être uniforme. Ceci est facile à remarquer en regardant à travers l’extrémité de la vitre. Dans ce cas, sa légère couleur vert bleuâtre devient immédiatement visible. Des études montrent que cette coloration est causée par de petites quantités de fer et de cuivre présentes dans le verre. Même les verres les plus purs conçus pour les objectifs astronomiques et photographiques contiennent de grandes quantités d'impuretés colorées. Dans les premiers guides de lumière constitués d'un tel verre, les pertes d'énergie étaient très élevées (plus de 1% de la lumière qui y était introduite était perdue par 50 m de guide de lumière). Cependant, même avec cette qualité, il était possible de créer des dispositifs permettant de transmettre la lumière à travers des canaux courbes, d'observer les surfaces internes des cavités métalliques, d'étudier l'état des organes internes du corps humain, etc. Mais pour la création de lignes de communication interurbaines, de tels guides de lumière étaient peu utiles. Il a fallu environ une décennie pour créer des échantillons de laboratoire de fibres optiques capables de transmettre 1% de la puissance lumineuse qui y était introduite par 1 km. La tâche suivante consistait à fabriquer un câble guide de lumière adapté à une utilisation pratique à partir d'une telle fibre, afin de développer des sources et des récepteurs de rayonnement. La fibre optique la plus simple est un mince filament d'un diélectrique transparent. Les ondes lumineuses transmises se déplacent à de petits angles par rapport à l'axe de la fibre et subissent une réflexion interne totale à partir de sa surface. Mais un tel guide de lumière ne peut être utilisé qu'en laboratoire, car dans des conditions normales la surface de verre non protégée se recouvre progressivement de particules de poussière, de nombreux défauts s'y développent : microfissures, irrégularités qui violent les conditions de réflexion interne totale de la lumière à l'intérieur de la fibre , absorbent et diffusent très fortement les rayons. Des pertes supplémentaires importantes se produisent aux points de contact entre la fibre optique et les supports supportant le câble non protégé.
Un changement radical de situation a été associé à la création de guides de lumière à deux couches. De tels guides de lumière étaient constitués d'un brin guide de lumière enfermé dans une gaine transparente dont l'indice de réfraction était inférieur à celui du brin. Si l'épaisseur de la coque transparente dépasse plusieurs longueurs d'onde du signal lumineux transmis, alors ni les poussières ni les propriétés du milieu extérieur à cette coque n'ont d'effet significatif sur le processus de propagation des ondes lumineuses dans un guide de lumière à deux couches. Ces guides de lumière peuvent être recouverts d'une gaine polymère et transformés en un câble guide de lumière adapté aux applications pratiques. Mais pour cela, il est nécessaire de créer une haute perfection de la frontière entre la veine et la coque transparente. La technologie de fabrication de fibres la plus simple consiste à insérer le noyau de verre dans un tube de verre étroitement ajusté avec un indice de réfraction inférieur. Ensuite, cette structure est chauffée. En 1970, Corning Glass a été le pionnier du développement de guides de lumière en verre adaptés à la transmission de signaux lumineux sur de longues distances. Et au milieu des années 70, des guides de lumière en verre de quartz ultra-pur ont été créés, dont l'intensité lumineuse n'a été réduite de moitié qu'à une distance de 6 km. (La transparence d'un tel verre peut être vue à partir de l'exemple suivant : si vous imaginez qu'un verre optique ultra-clair de 10 km d'épaisseur est inséré dans la fenêtre, il transmettra la lumière aussi bien qu'un verre à vitre ordinaire d'un centimètre d'épaisseur !)
En plus du guide de lumière, le système de communication à fibre optique comprend une unité émettrice optique (dans laquelle les signaux électriques arrivant à l'entrée du système sont convertis en impulsions optiques) et une unité réceptrice optique (recevant des signaux optiques et les convertissant en impulsions électriques). . Si la ligne est longue, des répéteurs fonctionnent également dessus - ils reçoivent et amplifient les signaux transmis. Dans les dispositifs d'entrée de rayonnement dans les fibres optiques, on utilise largement des lentilles, qui ont un très petit diamètre et une distance focale de l'ordre des centaines et des dizaines de microns. Les sources de rayonnement peuvent être de deux types : les lasers et les diodes électroluminescentes, qui fonctionnent comme des générateurs d'ondes porteuses. Le signal transmis (il peut s'agir d'une émission de télévision, d'une conversation téléphonique, etc.) est modulé et superposé à l'onde porteuse de la même manière que dans l'ingénierie radio. Cependant, il est beaucoup plus efficace de transmettre des informations sous forme numérique. Dans ce cas encore, peu importe quelle information est ainsi transmise : une conversation téléphonique, un texte imprimé, de la musique, un programme de télévision ou l'image d'un tableau. La première étape pour convertir un signal sous forme numérique consiste à déterminer ses valeurs à des intervalles de temps spécifiques, un processus appelé échantillonnage temporel du signal. Il a été prouvé (à la fois mathématiquement et pratiquement) que si l'intervalle T est au moins 2 fois inférieur à la fréquence la plus élevée contenue dans le spectre du signal transmis, alors ce signal peut être ensuite restitué à partir d'une forme discrète sans aucune distorsion. Autrement dit, au lieu d'un signal continu, sans compromettre les informations transmises, un ensemble d'impulsions très courtes peut être fourni, ne différant les unes des autres que par leur amplitude. Mais il n’est pas nécessaire de transmettre ces impulsions exactement sous cette forme. Comme ils ont tous le même aspect et sont décalés les uns par rapport aux autres du même intervalle de temps T, il n'est pas possible de transmettre la totalité du signal, mais seulement la valeur de son amplitude. Dans notre exemple, l'amplitude est divisée en huit niveaux. Cela signifie que la valeur de chaque impulsion peut être interprétée comme un nombre en code binaire. La valeur de ce numéro est transmise sur la ligne de communication. Puisque seulement deux chiffres sont nécessaires pour transmettre chaque nombre binaire - 0 et 1, c'est très simplifié : 0 correspond à l'absence de signal, et 1 à sa présence. Dans notre exemple, la transmission de chaque chiffre prend 1/3 T. Le signal transmis est restitué dans l'ordre inverse. La soumission d’un signal sous forme numérique est très pratique, car elle élimine pratiquement toute distorsion et interférence.
Le système de communication optique est encore relativement coûteux, ce qui freine sa généralisation, mais il ne fait aucun doute qu'il ne s'agit que d'un obstacle temporaire. Ses mérites et ses avantages sont si évidents qu'il doit certainement être largement utilisé à l'avenir. Tout d’abord, les câbles à fibres optiques sont très résistants aux interférences et sont légers. Une fois maîtrisées la technologie nécessaire à leur production en série, ils pourraient s'avérer beaucoup moins chers que les câbles électriques actuellement utilisés, puisque les matières premières nécessaires à leur fabrication sont déjà beaucoup moins chères. Mais leur avantage le plus important est qu'ils ont un débit énorme - en une unité de temps, ils peuvent transmettre d'énormes quantités d'informations qui ne peuvent être transmises par aucune des méthodes de communication actuellement connues. Toutes ces qualités devraient fournir aux lignes de communication à fibre optique une application multiforme, principalement dans les unités informatiques (une grande expérience a déjà été accumulée dans la création de microcircuits utilisant des guides de lumière microscopiques; la vitesse de tels microcircuits est environ 1000 fois supérieure à celle de conventionnels), dans la télévision par câble ; puis il y aura le remplacement des câbles téléphoniques sur les lignes principales et la création de câbles de télévision ; à l'avenir, il est prévu de combiner tous ces réseaux en un seul réseau d'information. Dans de nombreux pays développés (et principalement aux États-Unis), de nombreuses lignes de communication téléphonique ont déjà été remplacées par des guides de lumière. La création de réseaux urbains de fibre optique se pratique. Ainsi, en 1976, le système urbain de communication téléphonique numérique par fibre optique a été installé dans la grande ville américaine d'Atlanta. Auteur : Ryzhov K.V.
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