Optik aloqa asoslari - bet 3

Mualliflar
www.ziyouz.com kutubxonasi
I
I
1-bo‘lim I
OPTIK ALOQA TIZIMLARINING TUZILISH
PRINSIPLARI VA ISH XUSUSIYATLARI
1-bob. OPTIK ALOQA HAQIDA UM UM IY
MA’LUMOTLAR
1.1. Optik aloqa rivojining qisqacha tarixi
Insoniyat taraqqiyotida aloqa, xususan, optik aloqa (OA)ning roli katta bo'lgan, bunga sabab yorug'lik nurining tarqalish tezli- gining juda yuqoriligi (3108 m/s), to‘g‘ri chiziqli tarqalishi va boshqa xususiyatlaridir.
Axborotlarni uzatish uchun yorag'lik nurining qo‘llanilishi uzoq tai ixga cga. Dcngizchilar axborotlarni uzatish uchun signal lampa- larini qo'llaganlar, mayoqlar esa ko‘p asrlar davomida dengizchilami xavf-xatardan ogohlantirgan.
XVIII asrning 90-yilIarida I.P. Kulibin (Rossiya) va K. Shapp (Fransiya) bir-biridan bexabar optik telegraf ixtiro qilishgan.
Bu optik telegraf quyosh nurini ko‘zgular yordamida qaytarish asosida ishlagan. Axborotlarni masofaga uzatishda yorug'lik nurining qulayligini sezgan amerikalik ixtirochi Aleksandr Grexem Bell 1882-yilda fokuslantirilgan quyosh nurini qo‘llab, Vashing- tonda ikki bino tomi o‘rtasida optik telefon (fotofon) aloqasini o'matgan. U o‘zining qurilmasi yordamida ovozni nur orqali 200 metr masofaga uzatgan. Bu tizimlar atmosfera orqali to‘g‘ri uza- tishni ta’minlangan.
Axborotlarni ochiq atmosferada uzatish yaxshi natija bermadi. Bunga sabab atmosferadagi harorat, havo oqimi, changlar, tuman va hakozolar tinimsiz o‘zgarib turganligi sababli ochiq havo yorug‘lik uzatuvchi muhit sifatida ishlashga yaroqsizligi va bu muammoning yechimi - axborotlarni yorug‘lik uzatkich bo'ylab uzatish g‘oyasi olimlar tomonidan XX asrning 60-yillarida aniqlandi. Bu g‘oya yaratilgunuga qadar olimlar bu borada tinimsiz ilmiy izlanishlar olib bordilar.
Birinchi yorug‘lik uzatkichlar — XIX asrning 70-yilIarida (1874— 1876-yillar) Rossiyada yaratilgan. Rus elektrotexnigi V.N. Chikolev
7
■niiiiiiiiiiiiiiiiiii
bir necha xonalarni bitta lampa bilan yoritish uchun ichi oynali metall trubalarni ishlatgan.
1905-yilda R. Vud «fizik optikada shisha yoki eng yaxshisi kvars tayoqcha devorlaridan «ichki qaytishni» qo'llab, yorug'lik energiyasini katta yo‘qotishlarsiz bir nuqtadan ikkinchi nuqtaga o'tkazish mumkin, deb yozgan.
1920 — 1930-yillari Germaniyada elektromagnit to'lqinlarni shaffof yorug‘lik o'tkazgichlar orqali uzatish bo‘yicha ishlar olib borildi (O. Shriver, U. Bregg).
1927-yili Bayrd (Angliyada) va Xanzell (AQSHda) televide- niyeda tasvirlarni uzatish uchun juda ko‘p tolalar ishlatish kerak, degan g‘oyaga keldilar. Shu tarzda, o‘tgan asrning 50-yillarigacha tasvirlarni ingichka yorug'lik uzatkich orqali uzatish g‘oyasi, ya’ni tolali optika g‘oyasi rivojlanib bordi.
1951-yilda tolali optik aloqa rivojlanishining yangi bosqichi boshlandi: Van Xiil (Gollandiyada), Kapani va Xopkins (Angliyada) bir-biridan bexabar tasvirlarni uzatish uchun shisha tolalarning mustahkam sozlanuvchan jgutlarini yaratish va ular yordamida tasvirlarni uzatish qonuniyatlarini tadqiq etish bo‘yicha ish bosh- ladilar.
Bunday uzatishda juda ko‘p ingichka tolalar talab etilgan, ularni zich joylashtirish esa yorug‘likning bir toladan boshqasiga o‘tib ketishiga olib kelgan.
Bunday yorug‘lik uzatuvchi tolalarda yorug‘likning izolyatsiyasi masalalarini hal etishida Van Xiilning xizmatlari katta bo'ldi.
1953-yili Van Xiil plastikdan tayyorlangan sindirish ko‘rsatkichi 1,47 bo‘lgan yorug‘likni izolyatsiyalovchi qobiqli shisha tolani yaratdi (shishaning sindirish ko‘rsatkichi 1,5 — 1,7). Uning g'oyasi shundan iborat ediki, yorug‘lik uzatkichning sindirish ko'rsatkichi qobiqnikidan katta bo‘lishi kerak, shundagina yorug‘lik nurining to‘liq ichki qaytishiga erishish mumkin.
1958 — 1959-yillarda Kapani va Xirshovis tomonlaridan bu g‘oya mukammalashtirildi. Ular kichik sindirish ko‘rsatkichga ega bo‘lgan shisha qobiqli shisha tola yaratdilar. Bu tolada yo‘qotishlar plastik qobiqli tolaga nisbatan kamaygan, qobiqning sayqallangan tola yuzasini tashqi mexanik ta’sirlardan himoyalovchi boshqa vazifasi ham yuzaga keladi.
8
www.ziyouz.com kutubxonasi
Shunday qilib, Van Xiil, Kapani va Xirshovis ishlaridan (1953— 1959-yillar davri oralig'ida) tolali optikaning asosiy prinsipi — yorug‘likni ikki qatlamli dielektrik yorug‘lik uzatkichlar bo'ylab uzatish prinsipiga asos solindi. Barcha zamonaviy yorug‘lik uzatkichlar ana shu prinsip asosida ishlaydi [1].
Fan-texnika, kvant fizikasi, optoelektronika bo‘yicha erishilgan yutuqlar, optik kvant generator (lazer)larning yaratilishi bilan optik aloqa rivojlanishining zamonaviy davri boshlandi.
1954-yil rossiyalik olimlar N.G. Basov vaA.M. Proxorov hamda amerikalik fizik Ch. Tauns ammiak molekulalari to‘plamida ishlovchi, mazer deb ataluvchi mikroto‘lqinli kogerent nurlanish manbayi — gazli kvant generatorini yaratdilar.
1959-yili N.G. Basov hamkasblari bilan birgalikda qattiq jismli yorug‘lik kvant generatorlarini yaratish uchun yarimo‘tkazgichli materiallarni ishlatishni taklif etdi. Bunday nurlanish manbalari lazerlar (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — LASER) deb ataldi. Olimlar bu kashfiyot uchun 1964-yilda fizika bo‘yicha Nobel mukofotini oldilar.
Odatdagi optik nurlanish manbalariga qaraganda lazer nurlanishi yuqori monoxromatiklik, kogerentlik hamda juda yuqori inten- sivlikka ega va shuning uchun uni uzatish tizimlarida eltuvchi tebranish sifatida qo‘llanilishi tabiiy edi. Lazer nurlanishi keng o'tkazish polosasini hosil qilish imkoniyatini yaratdi. Geliy-neon lazerli uzatish tizimi (ochiq fazodagi to‘lqin uzunligi X = 0,63 mkm, chastotasi f = 4,7 — 1014 Hz) 4700 GHz (asosiy chastotadan 1%) o‘tkazish polosasiga ega bo‘lib unda, birvaqtda millionga yaqin televizion kanallarni joylashtirish mumkin.
1960-yillarda lazer nurlanishining turli modulyatsiya (chastota, faza, amplituda, intensivhk va qutblanish bo‘yicha, impulsli modulyatsiya) turlarini amalga oshirish bo‘yicha ko‘plab texnik yechimlar tavsiya etildi, shuningdek, yorug‘likning ochiq fazoda tarqalishini qo‘llovchi bir qator lazer uzatish tizimlari yaratildi. Axborotlarni ochiq fazoda uzatishda hosil bo'ladigan yuqorida aytib o'tilgan kamchiliklar, shuningdek, bunday tizimlarda qo‘llaniladigan nurlanish manbalari foydali ish koeffitsiyentining kichikligi ularni telekommunikatsiya tarmoqlarida qo‘llanilishini chegaralaydi. Hozirda bir qator kamchiliklariga qaramay bunday tizimlar kos- 9
9
www.ziyouz.com kutubxonasi
mosda, ba’zi xorijiy mamlakatlarda ko‘p qavatli baland binolarda qo‘llanilmoqda.
O‘sha vaqtda yaratilgan optik tolaning so'nish qiymatlari katta bo‘lib, taxminan 1000 dB/km ga teng bo'lgan. Bunday tolaga kiritilgan nur qisqa masofada deyarli butunlay yutilib ketadi.
Bu kamchilikni bartaraf etish maqsadida ko'plab tadqiqotlar olib borildi. 1966-yilda ingliz olimlari Kao va Xokxem o'zlarining ilmiy izlanishlarida optik toladagi nurning yutilish sabablarini tahlil qilib, nurning yutilishiga asosiy sabab metall ionlarining qoldiqlari ekanligini aniqladilar. Olimlar agar shisha ana shu ionlardan tozalansa, yutilish koeffitsiyenti a <20 dB/km bo'lgan tolalarni olish mumkinligini isbotlab berdilar. Shundan so‘ng dunyo miqyosida yutish koeffitsiyenti kichik bo‘lgan yorug'lik uzatuvchi tolalarni olish bo'yicha ishlar juda avj olib ketdi.
1975-yili laboratoriya sharoitida so‘nish koeffitsiyenti 2 dB/ km gacha bo‘lgan optik tolalar olindi va 1979-yilga kelib esa so'nish koeffitsiyenti 0,2 dB/km li optik tolalar yaratildi.
1980-yilda ko'plab mamlakatlarda yo'qotishlari 10 dB/km dan kichik bo'lgan optik tolalar ishlab chiqdi, ishonchliligi yuqori bo'lgan yarimo'tkazgichli optik nurlanish manbalari, fotodetektorlar yaratildi va optik aloqa tizimlari bo'yicha har tomonlama izlanishlar olib borildi. Shu tarzda optik aloqa tizimlari davri va unga mos holda telekommunikatsiya, optoelektronika va kompyuter texno- logiyalari davri boshlandi.
1977-yili Toshkent elektrotexnika aloqa instituti qoshida «Tolali raqamli optik aloqa ilmiy tadqiqot laboratoriyasi tashkil etildi. Bu laboratoriya xodimlari ushbu darslik mualliflaridan biri professor Rixsi Isayev rahbarligida 1984-yili Markaziy Osiyoda birinchi bo'lib, Toshkent shahar telefon tarmog'ining 234- va 241-avtomatic aloqa stansiyalari (XATS lari)ni bog'lovchi 4 km uzunlikli ko'p modali optik tolali 30 kanalli raqamli uzatish tizimini, 1988-yili esa Zangiota tumani markaziy aloqa bog'lanmasi (ATS) ini Bosh kommutatsiya markazidagi (ATS) bilan ulovchi 120 kanalli 16 km uzunlikdagi optik tolali uzatish tizimini ishga tushirishga muvaffaq bo'ldilar.
Hozirgi kunda nafaqat so'nish qiymatlari, balki to'lqin uzunligi bo'yicha zichlashtirilgan tizimlarda qo'llaniladigan, dispersiya qiy- mati minimal bo'lgan bir modali optik tolalar ham yaratildi. Bu
10
www.ziyouz.com kutubxonasi
I
turdagi optik tola nolinchi xromatik dispersiyani 1,55 mkm sohaga siljitish yordamida hosil qilindi. Bunday tolalar «Korning» (AQSH) Fudjikura (Yaponiya) kabi ko‘plab xorijiy kompaniyalar tomonidan ishlab chiqarilmoqda.
0‘zbekiston respublikasida ham telekommunikatsiya tarmoq- larini rivojlantirish borasida ko‘p ishlar amalga oshirildi. Bu maqsadda 1995-yil 1-avgustda Vazirlar Mahkamasi tomonidan qabul qilingan «2010-yilgacha muddatda 0‘zbekiston Respublikasi telekommunikatsiya tarmoqlarini rivojlantirish va rekonstruksiya qilish Milliy dasturi» qabul qilindi. Ushbu dasturga muvofiq 1995— 1997-yillarda TOO (Trans-Osiyo-Ovropa) magistralining jahon standartlariga mos keluvchi raqamli transport tarmog‘ining Milliy segmentini qurish boshlandi va uzunligi 998 km dan ortiq magistral tolali optik aloqa (TOA) liniyasi foydalanishga topshirildi. TOA Milliy segmentida «Simens» (Germaniya) firmasining tolali optik kabellaridan foydalanildi.
1995—2000-yillarda OECF (Yaponiya) loyihasi doirasida 1080 km uzunlikda hududiy TOA liniyasi qurildi va foydalanishga topshirildi.
1996—1997-yillarda Toshkent shahrida «Simens» tolali optik kabellarini qo‘llab, barcha elektron ATS larni, shuningdek, tugunli analog ATS larni birlashtiruvchi katta transport halqa qurildi.
2001-yilda EDSF (Koreya) loyihasi asosida Andijon va Farg‘ona viloyatlarining hududiy telekommunikatsiya tarmoqlarini qayta ta’mirlash amalga oshirildi. Loyiha natijasida umumiy uzunligi 354 km bo‘lgan hududiy TOA liniyasi qurildi.
Hozirda tashqi iqtisodiy birdamlik Yaponiya banki krediti hisobiga Farg'ona vodiysining uch viloyatining halqali tarmoqlari qurildi, Qashqadaryo, Sirdaryo viloyatlarida halqali hududiy telekommunikatsiya tarmoqlari qurildi. Buxoro — Nukus uchastkasida TOA liniyasining Buxoro — Navoi — Zarafshon — Uchquduq — Nukus TOA liniyasi orqali zaxiralash ishlari amalga oshirildi. Bu loyiha doirasida 2000 km magistral va 700 km hududiy TOA liniyalari yotqizildi. Bu loyiha o‘z-o‘zini tiklovchi halqali tuzilish va raqamli uzatish tizimlarini qo'llash asosida kanal hamda traktlarning zaxirasini ta’minladi, natijada aloqa tarmoqlarining ishonchliligi yanada oshdi.
11
www.ziyouz.com kutubxonasi
O‘zbekiston telekommunikatsiya tizimining 28 yo‘nalish bo‘yi- cha dunyoning 180 ta mamlakatiga chiqadigan to‘g‘ridan-to‘g‘ri xalqaro kanallari mavjud. Bularda ham tolali optik, shuningdek, sun’iy yo‘ldoshli tizimlardan foydalanilmoqda. Butun tarmoq nafa- qat bugungi kunda balki keyinchalik ham hozirgidan ko‘proq axborot o‘tkazish quwatiga ega bo‘ladi.
1.2. Optik aloqaning afzalliklari
Istalgan aloqa tizimining asosiy vazifasi axborotlarni bir punktdan boshqasiga uzatishdan iborat. Optik to‘lqin va signallar yordamida axborotlarni ma’lum masofalarga uzatishga mo‘ljallangan, boshqacha aytganda, optik signallarni shakllantirish, qayta ishlash va uzatishni ta’minlovchi optik qurilmalar va optik uzatish liniyasi yig‘indisiga optik aloqa tizimi (OAT) deb ataladi.
Optik aloqa tizimlarida axborotlarni uzatish mos keluvchi axborot signallari bilan modulyatsiyalangan elektromagnit tebranishlar, yorug‘lik nuri yordamida amalga oshiriladi, ya’ni yorug‘lik nuri o‘zida elektromagnit tebranishlarni namoyon etadi. Elektromagnit tebranishlar esa o‘zida o‘zgaruvchan magnit va elektr maydonlarni namoyon etadi, bu maydonlarning tarqahsh yo‘nalishi bir-biriga perpendikulyar. Odatda, elektromagnit maydon sinusoidal egri chiziq sifatida tasvirlanadi (1.1-rasm) [2].
Yorug‘lik nurlanishlari chastota yoki to‘lqin uzunligi bilan tavsiflanadi. Chastota bir sekundda sinusoidal tebranishlar soni
12
www.ziyouz.com kutubxonasi
bilan aniqlanadi va gersda (Hz) o‘lchanadi. To‘lqin uzunligi — ikki ketma-ket to‘lqinlarning nuqtalari orasidagi masofa (yoki to‘lqin bir sikl tebranishda o‘tadigan masofa). To‘lqin uzunligi va chastota o‘zaro bog‘liq. To‘lqin uzunligi (A.) to‘lqin tezligini (5) uning chastotasi (/) ga nisbatiga teng:
A=-.
f
Demak, chastota qancha ortsa, to‘lqin uzunligi shuncha qisqa bo‘ladi. Aloqa tizimlari ko‘pincha elektromagnit tebranishlar va tashuvchi chastota signallari egallagan diapazon bilan tasniflanadi (1.2-rasm).
Spektral diapazonga mos holda radiodiapazon, o‘ta yuqori chastota, millimetrli va optik diapazon tizimlari farqlanadi.
Optik aloqa tizimlarida tashuvchi chastota tebranishlari spektr- ning optik diapazonini egallaydi. Optik diapazon 5 THz (100 mm)dan boshlanib, unga infraqizil, ko‘rinuvchi va ultrabinafsha diapazonlar kiradi. Bu diapazonlar yuqori chastota va qisqa to‘lqin uzunligiga ega.
Infraqizil diapazon 3-1012 dan 4-1014 Hz doirasida joylashib, 100 — 0,75 mkm to‘lqin uzunligiga mos keladi.
Ko‘rinuvchi spektr 41014 dan 0,75-1015 Hz (0,75 — 0,4 mkm) sohani egallaydi. Demak, inson ko‘zi 0,4 - 0,75 mkm spektrdagi nurlarga sezgir. Quyosh spektri 0,3 dan 1,5 mkm diapazonda joylashadi.
Ultrabinafsha diapazon juda kichik to‘lqin uzunliklariga ega.
Ko'pincha optik aloqa tizimlarida to'lqin uzunligi 0,8—1,5 mkm oraliqli infraqizil diapazon qo'llaniladi, chunki shisha tola ko‘ri- nuvchi yorug‘likka nisbatan infraqizil nurlanishlarga shaffofroq.
Yorug‘lik zarrachalari fotonlar deyiladi. Foton kvant yoki nurlanishni namoyon etadi. Kvant nurlanishning elementar birligi hisoblanadi. Foton energiyasi uning chastotasiga bog‘liq. Chastota ortgan sari energiya ortadi. Ultrabinafsha diapazonga yuqori chastota va bunga bog‘liq holda yuqori energiya mos keladi.
Bir foton energiyasi:
20>
|