Оптическая связь , также известная как оптическая телекоммуникация , — это связь на расстоянии с использованием света для передачи информации. Она может осуществляться визуально или с помощью электронных устройств . Самые ранние базовые формы оптической связи появились несколько тысячелетий назад, а самым ранним электрическим устройством, созданным для этого, был фотофон , изобретенный в 1880 году.
Оптическая система связи использует передатчик , который кодирует сообщение в оптический сигнал , канал , который переносит сигнал к месту назначения, и приемник , который воспроизводит сообщение из полученного оптического сигнала. Когда электронное оборудование не используется, «приемник» — это человек, визуально наблюдающий и интерпретирующий сигнал, который может быть как простым (например, наличие огня маяка ), так и сложным (например, огни, использующие цветовые коды или мигающие в последовательности кода Морзе ).
Современная связь опирается на оптические сетевые системы, использующие оптическое волокно , оптические усилители , лазеры , коммутаторы, маршрутизаторы и другие связанные технологии. Оптическая связь в свободном пространстве использует лазеры для передачи сигналов в космосе, в то время как наземные формы естественным образом ограничены географией и погодой. В этой статье дается базовое введение в различные формы оптической связи.
Визуальные методы, такие как дымовые сигналы , маячные огни , гидравлические телеграфы , судовые флаги и семафорные линии, были самыми ранними формами оптической связи. [1] [2] [3] [4] Гидравлические телеграфные семафоры датируются 4 веком до н. э. в Греции. Сигнальные ракеты до сих пор используются моряками в чрезвычайных ситуациях, в то время как маяки и навигационные огни используются для сообщения об опасностях навигации.
Гелиограф использует зеркало для отражения солнечного света для удаленного наблюдателя. [5] Когда сигнальщик наклоняет зеркало для отражения солнечного света, удаленный наблюдатель видит вспышки света, которые можно использовать для передачи заранее условленного сигнального кода. Военно -морские корабли часто используют сигнальные лампы и азбуку Морзе аналогичным образом.
Пилоты самолетов часто используют системы визуального индикатора глиссады (VASI) для безопасной посадки, особенно ночью. Военные самолеты, приземляющиеся на авианосец, используют похожую систему для правильной посадки на палубу авианосца. Цветная система освещения сообщает высоту самолета относительно стандартного глиссады посадки . Кроме того, диспетчерские вышки аэропортов все еще используют лампы Aldis для передачи инструкций самолетам, радиоприемники которых вышли из строя.
«Семафорный телеграф», также называемый «семафорной линией», «оптическим телеграфом», «цепью телеграфа с затвором», « телеграфом Шаппа » или «наполеоновским семафором», представляет собой систему, используемую для передачи информации посредством визуальных сигналов с использованием башен с поворотными рычагами или затворами, также известными как лезвия или лопатки. Информация кодируется положением механических элементов; она считывается, когда затвор находится в фиксированном положении. [2] [6]
Семафорные линии были предшественниками электрического телеграфа . Они были намного быстрее почтовых райдеров для передачи сообщений на большие расстояния, но намного дороже и менее конфиденциальны, чем электрические телеграфные линии, которые позже их заменили. Максимальное расстояние, которое может преодолеть пара семафорных телеграфных станций, ограничено географией, погодой и доступностью света; таким образом, на практике большинство оптических телеграфов использовали линии релейных станций для преодоления больших расстояний. Каждая релейная станция также требовала своего набора опытных операторов-наблюдателей для передачи сообщений туда и обратно по линии.
Современный дизайн семафоров был впервые предвиден британским эрудитом Робертом Гуком , который первым дал яркий и всеобъемлющий обзор визуальной телеграфии в представлении 1684 года Королевскому обществу . Его предложение (которое было мотивировано военными проблемами после битвы за Вену в предыдущем году) не было реализовано на практике при его жизни. [7] [8]
Первая действующая оптическая семафорная линия появилась в 1792 году, ее создал французский инженер Клод Шапп и его братья, которым удалось покрыть Францию сетью из 556 станций общей протяженностью 4800 километров (3000 миль). Она использовалась для военных и национальных коммуникаций до 1850-х годов.
Многие национальные службы приняли системы сигнализации, отличные от системы Шаппа. Например, Великобритания и Швеция приняли системы панелей со ставнями (вопреки утверждению братьев Шаппа, что наклонные стержни более заметны). В Испании инженер Агустин де Бетанкур разработал собственную систему, которая была принята этим государством. Многие эксперты в Европе считали эту систему лучше, чем система Шаппа, даже во Франции. [ необходима цитата ]
Эти системы были популярны в конце 18-го — начале 19-го века, но не могли конкурировать с электрическим телеграфом и полностью вышли из эксплуатации к 1880 году. [1]
Семафорные флаги — это система передачи информации на расстоянии с помощью визуальных сигналов с помощью ручных флагов, стержней, дисков, лопаток или иногда голых или в перчатках рук. Информация кодируется положением флагов, предметов или рук; она считывается, когда они находятся в фиксированном положении.
Семафоры были приняты и широко использовались (с ручными флагами, заменившими механические рычаги семафоров-затворов ) в морском мире в 19 веке. Они до сих пор используются во время пополнения запасов в море и приемлемы для экстренной связи днем или, используя светящиеся жезлы вместо флагов, ночью.
В новой системе флаговых семафоров используются два коротких шеста с квадратными флагами, которые сигналист держит в разных положениях для передачи букв алфавита и цифр. Передатчик держит по одному шесту в каждой руке и вытягивает каждую руку в одном из восьми возможных направлений. За исключением положения покоя, флаги не могут перекрываться. Флаги окрашены по-разному в зависимости от того, посылаются ли сигналы по морю или по суше. На море флаги окрашены в красный и желтый цвета ( флаги Оскара ), а на суше — в белый и синий ( флаги Папы ). Флаги не требуются, они просто делают символы более заметными.
Сигнальные лампы (например, лампы Aldis) — это визуальные сигнальные устройства для оптической связи (обычно с использованием кода Морзе). Современные сигнальные лампы — это сфокусированная лампа, которая может производить импульс света. В больших версиях этот импульс достигается путем открытия и закрытия заслонок, установленных перед лампой, либо с помощью ручного переключателя давления, либо, в более поздних версиях, автоматически.
В ручных фонарях вогнутое зеркало наклоняется триггером, чтобы сфокусировать свет в импульсы. Фонари обычно оснащены каким-либо оптическим прицелом и чаще всего используются на военных судах, а также в диспетчерских пунктах аэропортов с кодированными авиационными световыми сигналами .
Авиационные световые сигналы используются в случае отказа радио , самолета, не оборудованного радио, или в случае слабослышащего пилота. Авиадиспетчеры уже давно используют сигнальные световые пушки для управления такими самолетами. Лампа световой пушки имеет сфокусированный яркий луч, способный излучать три разных цвета: красный, белый и зеленый. Эти цвета могут быть мигающими или постоянными и дают различные инструкции самолетам в полете или на земле (например, «разрешено посадка» или «разрешено взлет»). Пилоты могут подтверждать инструкции, покачивая крыльями своего самолета, перемещая свои элероны, если они находятся на земле, или мигая своими посадочными или навигационными огнями в ночное время. Только 12 простых стандартизированных инструкций направляются самолетам с помощью сигнальных световых пушки, поскольку система не использует азбуку Морзе.
Гелиограф ( греч . Ἥλιος helios , что означает «солнце», и γραφειν graphein , что означает «писать») — беспроводной солнечный телеграф , который передает сигналы вспышками солнечного света (обычно с использованием азбуки Морзе), отраженными зеркалом . Вспышки производятся путем кратковременного поворота зеркала или путем прерывания луча затвором.
Гелиограф был простым, но эффективным инструментом для мгновенной оптической связи на больших расстояниях в конце 19-го и начале 20-го века. Его основными применениями были военные, геодезические и лесозащитные работы. Они были стандартным выпуском в британской и австралийской армиях до 1960-х годов, и использовались пакистанской армией вплоть до 1975 года. [5]
В настоящее время различные электронные системы оптически передают и принимают информацию, переносимую импульсами света. Волоконно-оптические кабели связи используются для передачи электронных данных и телефонного трафика. Оптическая связь в свободном пространстве также используется каждый день в различных приложениях.
Оптическое волокно является наиболее распространенным типом канала для оптической связи. Передатчиками в оптоволоконных линиях связи обычно являются светодиоды (LED) или лазерные диоды . Инфракрасный свет используется чаще, чем видимый свет , поскольку оптические волокна передают инфракрасные длины волн с меньшим затуханием и дисперсией . Кодирование сигнала обычно представляет собой простую модуляцию интенсивности , хотя исторически в лабораторных условиях демонстрировалась оптическая фазовая и частотная модуляция . Необходимость в периодической регенерации сигнала была в значительной степени вытеснена введением усилителя на основе легированного эрбием волокна , который увеличил дальность связи при значительно меньших затратах. Коммерческое внедрение плотного мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM) в 1996 году корпорацией Ciena стало настоящим началом оптических сетей. [9] [10] WDM в настоящее время является общей основой почти каждой оптической системы высокой емкости в мире [11]
Первые оптические системы связи были разработаны и поставлены армии США и Chevron компанией Optelecom, Inc. [12], предприятием, соучредителем которого был Гордон Гулд, изобретатель оптического усилителя [13] и лазера. [14]
Фотофон (первоначально имевший альтернативное название — радиофон ) — это коммуникационное устройство, позволяющее передавать речь с помощью светового луча . Он был совместно изобретен Александром Грэхемом Беллом и его помощником Чарльзом Самнером Тейнтером 19 февраля 1880 года в лаборатории Белла по адресу 1325 «L» Street в Вашингтоне, округ Колумбия [15] [16] Оба впоследствии стали полноправными членами Ассоциации лаборатории Вольта , созданной и финансируемой Беллом.
21 июня 1880 года помощник Белла передал беспроводное голосовое телефонное сообщение на значительное расстояние: с крыши школы Франклина до окна лаборатории Белла, находившегося на расстоянии около 213 метров (около 700 футов). [17] [18] [19] [20]
Белл считал, что фотофон был его самым важным изобретением . Из 18 патентов, выданных только на имя Белла, и 12, которыми он поделился со своими коллегами, четыре были на фотофон, который Белл называл своим «величайшим достижением», говоря репортеру незадолго до своей смерти, что фотофон был «величайшим изобретением [из тех, что я] когда-либо делал, более великим, чем телефон». [21]
Фотофон был предшественником волоконно-оптических систем связи, которые получили широкое распространение во всем мире с 1980-х годов. [22] [23] [24] Основной патент на фотофон ( патент США 235,199 «Устройство для сигнализации и связи, называемое фотофоном ») был выдан в декабре 1880 года [19] , за много десятилетий до того, как его принципы нашли практическое применение.
Системы оптики свободного пространства (FSO) используются для телекоммуникаций « последней мили » и могут функционировать на расстоянии нескольких километров, пока есть прямая видимость между источником и пунктом назначения, а оптический приемник может надежно декодировать передаваемую информацию. [25] Другие системы свободного пространства могут обеспечивать высокоскоростную передачу данных на большие расстояния с использованием небольших, маломассивных и потребляющих мало энергии подсистем, что делает их пригодными для связи в космосе. [26] Различные планируемые спутниковые группировки , предназначенные для обеспечения глобального широкополосного покрытия, используют эти преимущества и используют лазерную связь для межспутниковых связей между несколькими сотнями или тысячами спутников, эффективно создавая космическую оптическую ячеистую сеть .
В более общем смысле передача неуправляемых оптических сигналов известна как оптическая беспроводная связь (OWC). Примерами являются связь на средних расстояниях с использованием видимого света и связь на коротких расстояниях IrDA с использованием инфракрасных светодиодов.
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )