Оптическая связь , также известная как оптическая телекоммуникация , представляет собой связь на расстоянии с использованием света для передачи информации. Это можно выполнить визуально или с помощью электронных устройств . Самые ранние основные формы оптической связи возникли несколько тысячелетий, а самым ранним электрическим устройством, созданным для этого, был фотофон , изобретенный в 1880 году.
Система оптической связи использует передатчик , который кодирует сообщение в оптический сигнал , канал , который передает 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 простым (например, наличие маяка ) или сложным (например, огни с использованием цветовых кодов или мигающие сигналы азбуки Морзе) . последовательность).
Современная связь опирается на оптические сетевые системы, использующие оптоволокно , оптические усилители , лазеры , коммутаторы, маршрутизаторы и другие сопутствующие технологии. Оптическая связь в свободном космосе использует лазеры для передачи сигналов в космосе, в то время как наземные формы естественно ограничены географией и погодой. В этой статье представлено базовое введение в различные формы оптической связи.
Визуальные методы, такие как дымовые сигналы , огни маяков , гидравлические телеграфы , корабельные флаги и семафорные линии, были самыми ранними формами оптической связи. [1] [2] [3] [4] Гидравлические телеграфные семафоры датируются Грецией 4-го века до нашей эры. В чрезвычайных ситуациях моряки по-прежнему используют сигнальные ракеты , а маяки и навигационные огни используются для оповещения о навигационных опасностях.
Гелиограф использует зеркало для отражения солнечного света к удаленному наблюдателю . [5] Когда связист наклоняет зеркало, чтобы отразить солнечный свет, удаленный наблюдатель видит вспышки света, которые можно использовать для передачи заранее заданного сигнального кода. Военно-морские корабли часто используют сигнальные лампы и азбуку Морзе аналогичным образом.
Пилоты самолетов часто используют проекционные световые системы визуального индикатора наклона захода на посадку (VASI) для безопасной посадки, особенно ночью. Военные самолеты, приземляющиеся на авианосец, используют аналогичную систему для правильной посадки на палубу авианосца. Система цветных огней сообщает высоту самолета относительно стандартной посадочной глиссады . Кроме того, диспетчерские вышки аэропортов до сих пор используют лампы Aldis для передачи инструкций самолетам, радиоприемники которых вышли из строя.
«Семафорный телеграф», также называемый «семафорной линией», «оптическим телеграфом», «затворной телеграфной цепью», « телеграфом Шаппа » или «наполеоновским семафором», представляет собой систему, используемую для передачи информации посредством визуальных сигналов с использованием башни с поворотными рычагами или ставнями, также известные как лопасти или лопасти. Информация кодируется положением механических элементов; он считывается, когда затвор находится в фиксированном положении. [2] [6]
Семафорные линии были предшественниками электрического телеграфа . Они были намного быстрее почтовых гонщиков при передаче сообщений на большие расстояния, но гораздо 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 наличием света; таким образом, на практике большинство оптических телеграфов использовали линии ретрансляционных станций для преодоления больших расстояний. Каждая ретрансляционная станция также потребует наличия квалифицированных операторов-наблюдателей для передачи сообщений туда и обратно по линии.
Современная конструкция семафоров была впервые предложена британским эрудитом Робертом Гуком , который впервые дал яркое и всеобъемлющее описание визуальной телеграфии в докладе Королевскому обществу в 1684 году . Его предложение (которое было мотивировано военными соображениями после битвы за Вену в предыдущем году) не было реализовано на практике при его жизни. [7] [8]
Первая действующая линия оптических семафоров появилась в 1792 году и была создана французским инженером Клодом Шаппом и его братьями, которым удалось покрыть Францию сетью из 556 станций общей протяженностью 4800 километров (3000 миль). Он использовался для военной и национальной связи до 1850-х годов.
Многие национальные службы приняли системы сигнализации, отличные от системы Шаппа. Например, Великобритания и Швеция приняли системы панелей с ставнями (что противоречит утверждению братьев Шаппе о том, что угловые стержни более заметны). В Испании инженер Агустин де Бетанкур разработал свою собственную систему, которая была принята в этом государстве. Многие эксперты в Европе считали эту систему лучше, чем система Шаппа, даже во Франции. [ нужна цитата ]
Эти системы были популярны в конце 18 - начале 19 века, но не могли конкурировать с электрическим телеграфом и полностью вышли из строя к 1880 году .
Семафорные флажки — это система передачи информации на расстоянии с помощью визуальных сигналов с помощью ручных флажков, стержней, дисков, весл, а иногда и голых рук или рук в перчатках. Информация кодируется положением флагов, предметов или оружия; он читается, когда они находятся в фиксированном положении.
Семафоры были приняты и широко использовались (с ручными флагами, заменяющими 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, при использовании светящихся жезлов вместо флажков, ночью.
В новой системе семафоров флагов используются два коротких шеста с квадратными флажками, которые сигнальщик 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, флажки 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 бело-синий ( флаги Папы ). Флаги не обязательны, они просто делают символы более заметными.
Сигнальные лампы (например, лампы Aldis) представляют собой устройства визуальной сигнализации для оптической связи (обычно с использованием азбуки Морзе). Современные сигнальные лампы представляют собой сфокусированную лампу, способную производить импульс света. В больших версиях этот импульс достигается за счет открытия и закрытия жалюзи, установленных перед лампой, либо с помощью манометрического выключателя с ручным управлением, либо, в более поздних версиях, автоматически.
В ручных лампах вогнутое зеркало наклоняется с помощью триггера, чтобы фокусировать свет на импульсы. Лампы обычно оснащены оптическим прицелом той или иной формы и чаще всего используются на военно-морских кораблях, а также в диспетчерских вышках аэропортов с кодированными авиационными световыми сигналами .
Авиационные световые сигналы применяются в случае отказа радиосвязи , самолета, не оборудованного радиосвязью, или в случае слабослышащего пилота. Авиадиспетчеры уже давно используют сигнальные световые пушки для управления такими самолетами. Лампа светового пистолета имеет сфокусированный яркий луч, способный излучать три разных цвета: красный, белый и зеленый. Эти цвета могут быть мигающими или постоянными и давать различные инструкции самолету в полете или на земле (например, «разрешено приземление» или «разрешено взлет»). Пилоты могут подтвердить инструкции, покачивая крыльями своего самолета, перемещая элероны, если они находятся на земле, или мигая посадочными или навигационными огнями в ночное время. Только 12 простых стандартизированных инструкций направляются самолетам с использованием сигнальных световых пушек, поскольку в системе не используется азбука Морзе.
Гелиограф ( греч . Ἥλιος helios , что означает «солнце», и γραφεινgraphein , что означает «писать») — это беспроводной солнечный телеграф , который сигнализирует вспышками солнечного света (обычно с использованием азбуки Морзе), отраженного зеркалом . Вспышки создаются путем мгновенного поворота зеркала или прерывания луча шторкой.
Гелиограф был простым, но эффективным инструментом для мгновенной оптической связи на большие расстояния в конце 19 - начале 20 века. Его основное использование было в военных, геодезических и лесозащитных работах. Они были стандартными в британской и австралийской армиях до 1960-х годов, а в пакистанской армии использовались только в 1975 году. [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 ежедневно используется в различных приложениях.
Оптическое волокно является наиболее распространенным типом канала оптической связи. Передатчиками в волоконно-оптических линиях связи обычно являются светоизлучающие диоды (СИД) или лазерные диоды . Инфракрасный свет используется чаще, чем видимый свет , поскольку оптические волокна передают инфракрасные волны с меньшим затуханием и дисперсией . Кодирование сигнала обычно представляет собой простую модуляцию интенсивности , хотя исторически оптическая фазовая и частотная модуляция была продемонстрирована в лаборатории. Необходимость периодической регенерации сигнала была в значительной степени устранена с появлением волоконного усилителя, легированного эрбием , 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] В настоящее время WDM является общей основой почти всех оптических систем высокой пропускной способности в мире [11]
Первые системы оптической связи были разработаны и поставлены армии США и компании Chevron компанией Optelecom, Inc. [12] — предприятием, соучредителем которого является Гордон Гулд, изобретатель оптического усилителя [13] и лазера. [14]
Фотофон (первоначально получившее альтернативное название — радиофон ) — это устройство связи, позволяющее передавать речь лучом света . Он был изобретен совместно Александром Грэмом Беллом и его помощником Чарльзом Самнером Тейнтером 19 февраля 1880 года в лаборатории Белла по адресу 1325 'L' Street в Вашингтоне , округ Колумбия . , созданный и финансируемый Bell.
21 июня 1880 года помощник Белла передал беспроводное голосовое телефонное сообщение на значительное расстояние: с крыши школы Франклина до окна лаборатории Белла, находящегося на расстоянии около 213 метров (около 700 футов). [17] [18] [19] [20]
Белл считал фотофон своим самым важным изобретением . Из 18 патентов , выданных только на имя Белла, и 12, которыми он поделился со своими сотрудниками, четыре были связаны с фотофоном, который Белл назвал своим «величайшим достижением», заявив репортеру незадолго до своей смерти, что фотофон был «величайшим достижением». изобретение, которое [я] когда-либо делал, превосходящее телефон». [21]
Фотофон был предшественником волоконно-оптических систем связи, которые получили широкое распространение во всем мире, начиная 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 работать на расстояниях в несколько километров при условии, что между источником и пунктом назначения существует прямая видимость , а оптический приемник может надежно декодировать передаваемую информацию. информация. [25] Другие системы в свободном пространстве могут обеспечивать высокоскоростную передачу данных на большие расстояния, используя небольшие подсистемы с малой массой и низким энергопотреблением, 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 и тысячами спутников, эффективно создавая космическую оптическую ячеистую сеть .
В более общем смысле передача неуправляемых оптических сигналов известна как оптическая беспроводная связь (OWC). Примеры включают связь видимым светом средней дальности и IrDA на короткие расстояния с использованием инфракрасных светодиодов.
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )