Оптическая связь: от сигнальных огней до волоконной оптики.

Введение

Использование света для передачи информации

Оптическая связь, также известная как оптическая телекоммуникация, – это передача информации на расстоянии с использованием света. Она может осуществляться визуально или с помощью электронных устройств. Самые ранние основные формы оптической связи уходят корнями в несколько тысячелетий, а первым электрическим устройством, созданным для этой цели, был фотофон, изобретенный в 1880 году. Система оптической связи использует передатчик, кодирующий сообщение в оптический сигнал, канал, передающий сигнал к месту назначения, и приемник, воспроизводящий сообщение из полученного оптического сигнала. Если не используется электронное оборудование, то "приемником" является человек, визуально наблюдающий и интерпретирующий сигнал, который может быть как простым (например, наличие сигнального огня), так и сложным (например, световые сигналы, использующие цветовые коды или передаваемые последовательностью кода Морзе). Современная связь опирается на оптические сетевые системы, использующие оптические волокна, оптические усилители, лазеры, коммутаторы, маршрутизаторы и другие сопутствующие технологии. Оптическая связь в свободном пространстве использует лазеры для передачи сигналов в космосе, в то время как наземные формы естественным образом ограничены географией и погодными условиями. В этой статье представлен базовый обзор различных форм оптической связи.

Визуальные формы

Визуальные методы, такие как дымовые сигналы, сигнальные костры, гидравлические телеграфы, флаги кораблей и семафорные линии, были самыми ранними формами оптической связи. Гидравлические телеграфные семафоры появились в Греции в IV веке до н.э. Сигнальные ракеты до сих пор используются моряками в аварийных ситуациях, а маяки и навигационные огни – для передачи информации о навигационных опасностях. Гелиограф использует зеркало для отражения солнечного света наблюдателю на расстоянии. Когда сигналист наклоняет зеркало, чтобы отразить солнечный свет, наблюдатель видит вспышки, которые можно использовать для передачи заранее оговоренного сигнального кода. Военные корабли часто используют сигнальные лампы и азбуку Морзе аналогичным образом. Пилоты самолетов часто используют системы визуальных индикаторов угла снижения (VASI) для безопасной посадки, особенно ночью. Военные самолеты, садящиеся на авианосец, используют аналогичную систему для точной посадки на палубу. Цветная система освещения сообщает высоту самолета относительно стандартной глиссады посадки. Кроме того, диспетчерские вышки аэропортов до сих пор используют лампы Алдиса для передачи инструкций самолетам, у которых вышли из строя радиостанции.

Семафоры

Семафорный телеграф, также называемый семафорной линией, оптическим телеграфом, цепью семафорных станций, телеграфом Шаппа или наполеоновским семафором, – это система передачи информации посредством визуальных сигналов, использующая башни с поворотными стрелами или затворами, также известными как лопасти или щиты. Информация кодируется положением механических элементов и считывается, когда затвор зафиксирован в определенном положении. Семафорные линии были предшественниками электрического телеграфа. Они были значительно быстрее почтовых гонцов для передачи сообщений на большие расстояния, но гораздо дороже и менее конфиденциальны, чем электрические телеграфные линии, которые впоследствии их заменили. Максимальное расстояние, на которое могут взаимодействовать две семафорные телеграфные станции, ограничено географией, погодой и наличием света; поэтому на практике большинство оптических телеграфов использовали линии ретрансляционных станций для преодоления больших расстояний. Каждая ретрансляционная станция также требовала штата опытных наблюдателей-операторов для передачи сообщений в обоих направлениях. Современный принцип работы семафоров был впервые предложен британским ученым-эрудитом Робертом Гуком, который в 1684 году представил в Королевское общество яркое и всестороннее описание визуальной телеграфии. Его предложение (мотивированное военными соображениями после битвы при Вене годом ранее) не было реализовано при его жизни. Первая действующая линия оптического семафора появилась в 1792 году и была создана французским инженером Клодом Шаппом и его братьями, которым удалось покрыть Францию сетью из 556 станций общей протяженностью около 185 км. Она использовалась для военных и государственных коммуникаций до 1850-х годов. Многие страны приняли сигнальные системы, отличные от системы Шаппа. Например, Великобритания и Швеция использовали системы с закрытыми панелями (в отличие от утверждения братьев Шапп о том, что угловые стержни более заметны). В Испании инженер Агустин де Бетанкур разработал собственную систему, которая была принята этим государством. Многие европейские эксперты считали эту систему лучше системы Шаппа, даже во Франции. Эти системы были популярны в конце XVIII – начале XIX века, но не смогли конкурировать с электрическим телеграфом и полностью вышли из эксплуатации к 1880 году. WDM (мультиплексирование по длине волны) в настоящее время является общей основой для почти всех оптических систем большой емкости в мире.

A 'semaphore telegraph', also called a 'semaphore line', 'optical telegraph', 'shutter telegraph chain', 'Chappe telegraph', or 'Napoleonic semaphore', is a system used for conveying information by means of visual signals, using towers with pivoting arms or shutters, also known as blades or paddles. Information is encoded by the position of the mechanical elements; it is read when the shutter is in a fixed position. Semaphore lines were a precursor of the electrical telegraph. They were far faster than post riders for conveying a message over long distances, but far more expensive and less private than the electrical telegraph lines which would later replace them. The maximum distance that a pair of semaphore telegraph stations can bridge is limited by geography, weather and the availability of light; thus, in practical use, most optical telegraphs used lines of relay stations to bridge longer distances. Each relay station would also require its complement of skilled operator observers to convey messages back and forth across the line. The modern design of semaphores was first foreseen by the British polymath Robert Hooke, who first gave a vivid and comprehensive outline of visual telegraphy in a 1684 submission to the Royal Society. His proposal (which was motivated by military concerns following the Battle of Vienna the preceding year) was not put into practice during his lifetime. The first operational optical semaphore line arrived in 1792, created by the French engineer Claude Chappe and his brothers, who succeeded in covering France with a network of 556 stations stretching a total distance of It was used for military and national communications until the 1850s. Many national services adopted signaling systems different from the Chappe system. For example, Britain and Sweden adopted systems of shuttered panels (in contradiction to the Chappe brothers' contention that angled rods are more visible). In Spain, the engineer Agustín de Betancourt developed his own system which was adopted by that state. This system was considered by many experts in Europe better than Chappe's, even in France. These systems were popular in the late 18th to early 19th century but could not compete with the electrical telegraph, and went completely out of service by 1880. WDM is now the common basis nearly every high capacity optical system in the world

Первые системы оптической связи были разработаны и поставлены армии США и компании Chevron компанией Optelecom, Inc., совместным предприятием, основанным Гордоном Гулдом, изобретателем оптического усилителя и лазера.

Фотофон

Фотофон (первоначально именовался также радиофоном) – это устройство связи, позволявшее передавать речь посредством луча света. Он был изобретён совместно Александром Грэмом Беллом и его ассистентом Чарльзом Самнёром Тейнтером 19 февраля 1880 года в лаборатории Белла, расположенной по адресу: 1325 улица ‘L’, Вашингтон, округ Колумбия. Оба впоследствии стали полноценными сотрудниками Ассоциации лабораторий Вольта, созданной и финансируемой Беллом. 21 июня 1880 года ассистент Белла передал беспроводное голосовое сообщение на значительное расстояние – с крыши школы Франклина до окна лаборатории Белла, примерно в 213 метрах (около 700 футов). Белл считал фотофон своим самым важным изобретением. Из 18 патентов, выданных исключительно на имя Белла, и 12 патентов, оформленных совместно с его коллегами, четыре относились к фотофону, который Белл называл своим «величайшим достижением», и заявил журналисту незадолго до смерти, что фотофон – «величайшее изобретение, которое я когда-либо сделал, превосходящее телефон». Фотофон стал предшественником волоконно-оптических систем связи, получивших широкое распространение во всем мире, начиная с 1980-х годов. Основной патент на фотофон («Аппарат для передачи сигналов и связи, именуемый фотофоном») был выдан в декабре 1880 года. Другие системы передачи в свободном пространстве могут обеспечивать высокую скорость передачи данных и связь на большие расстояния, используя небольшие, маломассивные и энергоэффективные подсистемы, что делает их подходящими для космической связи. Различные планируемые спутниковые группировки, предназначенные для обеспечения глобального широкополосного покрытия, используют эти преимущества и применяют лазерную связь для межспутниковых каналов между несколькими сотнями и тысячами спутников, фактически создавая космическую оптическую сеть. В более широком смысле, передача оптических сигналов без использования волноводов известна как оптическая беспроводная связь (OWC). Примеры включают в себя связь видимым светом средней дальности и связь IrDA на короткие расстояния, использующую инфракрасные светодиоды.