光通信システムの目的、誕生の歴史、メリット
電気的な接続はどのようにして行われたのでしょうか?
現代の通信システムの原型は前世紀に登場し、その電信線が終焉を迎えるまでに全世界を巻き込みました。何十万もの電報がそれらを介して送信され、すぐに電信は負荷に対応できなくなりました。発送は遅れ、長距離電話や無線通信は依然として利用できなかった。
20世紀初頭に電子管が発明されました。無線技術は急速に発展し始め、エレクトロニクスの基礎が築かれました。信号送信者は、電波を空間（空中）に送信するだけでなく、有線や通信ケーブルを通じて送信することも学びました。
電波の使用は、情報伝送システムの最も高価で非効率な部分である線形デバイスをコンパクトにするための基礎として機能しました。情報を「パッケージ化」する特別な方法を使用して、周波数と時間の面で回線を圧縮することにより、今日では、単位時間当たり何万もの異なるメッセージを単一の回線で送信することが可能です。このような通信はマルチチャネルと呼ばれます。
さまざまな種類のコミュニケーション間の境界があいまいになり始めました。これらは互いに調和して補完し合い、電信、電話、ラジオ、そして後にテレビ、ラジオ中継、そして後には衛星、宇宙通信が共通の電気通信システムに統合されました。
最新の通信技術
通信チャネルの情報の厳重さ
情報伝達経路には長さ 3000 km ～ 4 mm の波が作用します。この装置は、通信チャネル上で 400 メガビット/秒 (400 メガビット/秒は 4 億ビット/秒) を送信できるように動作しています。この順序で 1 ビットの文字を取得すると、400 M ビットで 500 冊のライブラリが構成され、各冊に 20 枚の印刷用紙が含まれます)。
現在の電気通信手段は前世紀の原型と似ていますか?障害飛越飛行機とほぼ同じです。現代の通信チャネルの設備は完璧になっているにもかかわらず、悲しいことに、通信チャネルは混雑しすぎています。前世紀の 90 年代よりもはるかに接近しています。
米国シンシナティの電信線（20世紀初頭）
1923 年 3 月 28 日、ヘッドフォンでラジオを聴く女性。
情報伝送のニーズの高まりと、現在通信チャネルで使用されている物理プロセスの基本特性の間には矛盾があります。 「情報密度」を薄めるためには、より短い波を征服する、つまりより高い周波数を習得する必要がある。電磁振動の性質として、その周波数が高くなるほど、単位時間あたりにより多くの情報を通信チャネル上で送信できるようになります。
しかし、通信者はさらに大きな困難に直面しなければなりません。電波が減少すると、受信デバイスの内部（固有）ノイズが急激に増加し、発電機の電力が減少し、効率が大幅に低下します。送信機によって消費され、消費されるすべての電力のうち、有用な電波エネルギーに変換されるのはほんの一部だけです。
到達距離 20,000 キロメートルを超えるドイツのナウェンラジオ局の真空管送信回路の出力トランス (1930 年 10 月)
1933 年に、バチカンと教皇ピウス 11 世の夏の離宮の間で最初の UHF 無線通信が確立されました。
超短波 (UHF) は、途中で壊滅的な速さでエネルギーを失います。したがって、メッセージ信号の増幅と再生 (復元) を頻繁に行う必要があり、複雑で高価な機器を使用する必要があります。ミリ波帯はもちろんのこと、センチメートル帯の電波での通信には多くの障害があります。
電気通信チャネルの欠点
最新の電気通信はほぼすべてマルチチャネルです。 400 Mbit/s チャネルで送信するには、デシミメートル範囲の電波で動作する必要があります。これは、非常に複雑な機器と、もちろん 1 つ以上の同軸ペアで構成される特別な高周波 (同軸) ケーブルが存在する場合にのみ可能です。
各ペアの外側導体と内側導体は同軸円筒です。このようなペアを 2 つ使用すると、3,600 件の電話通話または複数のテレビ番組を同時に送信できます。ただしこの場合、信号は 1.5 km ごとに増幅および再生する必要があります。
1920 年代のスタイリッシュな信号手
通信チャネルはケーブル回線が大半を占めています。これらは外部の影響、電気的および磁気的妨害から保護されています。ケーブルは耐久性と動作信頼性が高く、さまざまな環境での敷設に便利です。
しかし、ケーブルと通信線の生産は世界の非鉄金属生産の半分以上を占めており、その埋蔵量は急速に減少している。
金属はどんどん高価になっていきます。また、ケーブル、特に同軸ケーブルの製造は、複雑で非常にエネルギーを大量に消費するビジネスです。そしてそれらの必要性はますます高まっています。したがって、通信回線の建設とその運用にどれだけの費用がかかるかは想像に難くない。
1888 年、ニューヨークでのケーブル線の敷設。
通信ネットワークは、人類がこれまで地球上で作り上げた中で最も壮大で高価な構造物です。 20世紀の50年代にすでに電気通信が経済的実現可能性の限界に近づいていることが明らかになった場合、それをさらに発展させるにはどうすればよいでしょうか？
大陸横断電話線の完成、ユタ州ウェンドーバー、1914 年。
通信チャネルの情報密度を排除するには、電磁振動の光学範囲を使用する方法を学ぶ必要がありました。結局のところ、光波は VHF よりも数百万倍も振動が大きいのです。
光通信チャネルが作成されれば、数千のテレビ番組とさらに多くの電話やラジオ放送を同時に送信することが可能になります。
その仕事は気が遠くなるように思えた。しかし、その解決に向かう途中で、科学者と通信員たちの前に、一種の迷路のような問題が生じました。 XX世紀の間、誰もそれを克服する方法を知りませんでした。
「ソビエトのテレビとラジオ」—モスクワの「ソコルニキ」公園での展示、1959年8月5日。
レーザー
1960 年に、レーザーまたは光量子発生器 (LQG) という驚くべき光源が作成されました。このデバイスにはユニークな特性があります。
短い記事でさまざまなレーザーの動作原理とデバイスについて説明することは不可能です。私たちのウェブサイトにはレーザーに関する詳細な記事がすでに掲載されています。 レーザーの装置と動作原理… ここでは、通信従事者の注目を集めたレーザーの機能のみを列挙することに限定します。
テッド・メイマン、最初に実用的なレーザーのカウンターインストラクター、1960年。
まず第一に、放射線のコヒーレンスについて述べましょう。レーザー光はほぼ単色 (1 色) であり、最も完璧なサーチライトの光よりも時空間時間での発散が短くなります。レーザーのニードルビームに集中するエネルギーは非常に高いです。通信従事者が光通信にレーザーを使用するようになったのは、レーザーのこれらの特性とその他の特性のためです。
最初の草案は次のように要約されました。レーザーを発生器として使用し、そのビームをメッセージ信号で変調すると、光送信機が得られます。ビームを受光器に向けると、光通信チャネルが得られます。ワイヤーもケーブルもありません。通信は空間を介して行われます（オープンレーザー通信）。
科学実験室でのレーザーの使用経験
実験室での実験は、コミュニケーションワーカーの仮説を見事に裏付けました。そしてすぐに、この関係を実際にテストする機会が訪れました。残念ながら、地球上でのオープンなレーザー通信に対する通信員の希望は実現しませんでした。雨、雪、霧により通信が不確実になり、完全に遮断されることがよくありました。
情報を運ぶ光波は大気によって遮蔽されなければならないことが明らかになりました。これは、導波管の助けを借りて行うことができます。導波管は、内部にある薄く均一で非常に滑らかな金属管です。
しかし、技術者や経済学者は、完全に滑らかで均一な導波路を作るのが難しいことをすぐに認識しました。導波路は金よりも高価でした。どうやらこの試合にはろうそくの価値は無かったようだ。
彼らはワールド ガイドを作成する根本的に新しい方法を探す必要がありました。ライトガイドが金属製ではなく、安価で希少でない原材料で作られていることを確認する必要がありました。光を使って情報を伝達するのに適した光ファイバーを開発するには数十年かかりました。
最初のそのようなファイバーは超高純度のガラスで作られています。 2層同軸コアとシェル構造を作成しました。コアの屈折率がクラッドよりも高くなるように、ガラスの種類が選択されました。
光学媒体内でのほぼ全反射
しかし、コアとシェルの境界に欠陥がないように、異なるガラスを接続するにはどうすればよいでしょうか?滑らかさ、均一性、そして同時に最大の繊維強度を達成するにはどうすればよいでしょうか?
科学者や技術者の努力により、ついに目的の光ファイバーが誕生しました。今日、光信号はそれを通じて数百キロメートル、数千キロメートルにわたって伝送されています。しかし、非金属（誘電体）伝導媒体上での光エネルギーの伝播の法則は何でしょうか?
ファイバーモード
シングルモードおよびマルチモードファイバは、光が通過する光ファイバに属し、コアとクラッドの界面で内部反射が繰り返されます（専門家は、共振器システムの固有振動を「モード」と呼んでいます）。
ファイバーのモードはそれ自体の波です。繊維のコアに捕捉され、繊維の最初から最後まで繊維に沿って広がるもの。
ファイバのタイプは、その設計、つまりコアとクラッドを構成するコンポーネント、および使用する波長に対するファイバの寸法の比率 (最後のパラメータが特に重要です) によって決まります。
シングルモードファイバーでは、コアの直径が自然波長に近い必要があります。多くの波のうち、ファイバーのコアはそれ自身の波のうちの 1 つだけを捕捉します。したがって、ファイバー（ライトガイド）はシングルモードと呼ばれます。
コアの直径が特定の波の長さを超える場合、ファイバーは一度に数十、さらには数百の異なる波を伝導することができます。これがマルチモードファイバーの仕組みです。
光ファイバーによる光による情報の伝達
光は適切な光源からのみ光ファイバーに注入されます。ほとんどの場合、レーザーによるものです。しかし、本質的に完璧なものはありません。したがって、レーザー ビームは、その固有の単色性にもかかわらず、依然として特定の周波数スペクトルを含んでおり、言い換えれば、特定の範囲の波長を放射します。
レーザー以外に光ファイバーの光源として使用できるものは何でしょうか?高輝度LED。ただし、その放射の指向性はレーザーの指向性よりもはるかに小さいです。したがって、焼成ダイオードによってファイバーに導入されるエネルギーは、レーザーよりも数十倍、数百倍少なくなります。
レーザービームがファイバーのコアに向けられると、各波は厳密に定義された角度でレーザービームに当たります。これは、同じ時間間隔の異なる固有波 (モード) が、異なる長さのファイバー (最初から最後まで) パスを通過することを意味します。これが波の分散です。
そして信号はどうなるのでしょうか？同じ時間間隔でファイバ内の異なるパスを通過すると、歪んだ形で線路の端に到達する可能性があり、専門家はこの現象をモード分散と呼んでいます。
繊維の芯と鞘のようなものです。すでに述べたように、それらは異なる屈折率を持つガラスでできています。そして、物質の屈折率は、その物質に影響を与える光の波長に依存します。したがって、物質の分散、つまり物質の分散が存在します。
波長、モード、材料の分散は、光ファイバーを通る光エネルギーの伝送に悪影響を与える 3 つの要因です。
シングルモードファイバーにはモード分散はありません。したがって、このようなファイバーは、マルチモードファイバーよりも単位時間当たり数百倍多くの情報を送信できます。波や物質の分散はどうなるのでしょうか？
シングルモードファイバーでは、特定の条件下で波と材料の分散が確実に互いに打ち消し合うように試みられます。その後、モードと波の分散による悪影響が大幅に弱まった、そのようなファイバーを作成することが可能になりました。どうやって管理したのですか？
放物線の法則に従って、軸からの（半径に沿った）距離の変化に対するファイバー材料の屈折率の変化の依存性のグラフを選択しました。光は、コアとクラッドの界面で複数の全反射を経験することなく、このようなファイバーに沿って進みます。
通信配電盤。黄色のケーブルはシングルモード ファイバー、オレンジと青色のケーブルはマルチモード ファイバーです。
光ファイバーが捉えた光の経路は異なります。一部の光線はコアの軸に沿って広がり、コアから等距離で一方向または別の方向に逸れます (「スネーク」)。その他の光線はファイバーの軸と交差する平面内にあり、一連の螺旋を形成します。一部の半径は一定のままですが、他の半径は周期的に変化します。このようなファイバーは屈折ファイバーまたは勾配ファイバーと呼ばれます。
知っておくことは非常に重要です。どのような制限角度で光を各光ファイバーの端に向けなければならないか。これにより、どれだけの光がファイバーに入り、光回線の最初から最後まで伝わるかが決まります。この角度は、ファイバーの開口数 (または単に「開口」) によって決まります。
光通信
FOCL
光通信回線（FOCL）としては、光ファイバー自体が細くて壊れやすいため、光ファイバーを使用することはできません。ファイバーは、光ファイバーケーブル (FOC) の製造の原材料として使用されます。 FOC は、さまざまなデザイン、形状、目的で製造されています。
強度と信頼性の点では、FOC は金属を多用したプロトタイプに劣らず、空中、地下、川や海の底など、金属導体を備えたケーブルと同じ環境に敷設できます。 WOKの方がずっと簡単です。重要なのは、FOC は電気的擾乱や磁気の影響をまったく受けないことです。結局のところ、メタルケーブルではこのような干渉に対処するのは困難です。
1980 年代と 1990 年代の第一世代の光ケーブルは、自動電話交換機間の同軸ハイウェイの置き換えに成功しました。これらの回線の長さは 10 ～ 15 km を超えませんでしたが、中継器を介さずに必要な情報をすべて送信できるようになったとき、信号員たちは安堵のため息をつきました。
コミュニケーションチャネルに「生活空間」が大量に供給されるようになり、「情報の逼迫」という概念は意味を失った。軽く、薄く、十分な柔軟性を備えたFOCは、既存の地下電話に難なく敷設されました。
自動電話交換機では、光信号を電気信号（前局からの入力側）に変換し、電気信号を光信号（次局への出力側）に変換する単純な装置を追加する必要がありました。すべての交換装置、加入者回線、およびその電話には一切の変更が加えられていません。彼らが言うように、すべてが安くて陽気であることがわかりました。
市内に光ファイバーケーブルを敷設
架空送電線の支柱への光ケーブルの敷設
最新の光通信回線を通じて、情報はアナログ (連続) 形式ではなく、離散 (デジタル) 形式で送信されます。
光通信回線により、過去 30 ～ 40 年間に通信技術に革命的な変革がもたらされ、情報伝送チャネルにおける「情報の逼迫」の問題を長期間にわたって比較的迅速に解決することができました。あらゆる通信および伝送手段の中で、情報、光通信回線が主導的な地位を占め、21 世紀を通じて主流となるでしょう。
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