Контактная информация: +7 (926) 478-47-62
19th Jun 2021, 00:20

Основная информация

Наши предложения

Галерея

/ Главная / Статьи, документация / IT структура / Волоконная оптика
Волоконная оптика
Быстрое развитие компьютерных технологий вызывает чувство гордости у многих представителей этой индустрии. Первый персональный компьютер фирмы IBM, созданный в 1981 году, работал с тактовой частотой 4,77 МГц. Спустя 20 лет этот показатель вырос до 2 ГГц. Прирост множителя составил 20 за декаду.

За этот же период скорость передачи данных выросла с 56 Кбит/с (ARPANET) до 1 Гбит/с (современная оптическая связь), это означает рост в 125 раз за каждые 10 лет. При этом вероятность ошибки при передаче данных уменьшилась с 10-5 на бит почти до нуля.

В настоящее время процессоры начинают приближаться к своим физическим пределам. Существующая ныне оптоволоконная технология, напротив, может развивать немыслемые скорости передачи данных, и при этом много специалистов занято поиском более совершенных материалов и методов.

В гонке компьютеров и средств передачи данных победили последние. Мысль о практически бесконечной полосе пропускания (при ненулевой стоимости, разумеется) еще не усвоена до конца поколением ученых-компьютерщиков, приученных мыслить в категориях низких ограничений Найквиста и Шенона, накладываемых на медный кабель.

Современное одномодовое волокно обеспечивает очень высокую полосу пропускания, часто превышающую 100 ГГц/км. В настоящее время проводятся лабораторные работы с лазерами по передаче информации на скоростях до 100 Гбит/с. Причем до сих пор не достигнут предел пропускной способности оптического волокна. Спектральное уплотнение позволяет достигать скоростей в десятки террабит в секунду.

Оптоволоконная система передачи данных состоит из трех основных компонентов: источника света, носителя, по которому распространяется световой сигнал, и приемника сигнала. Световой импульс принимают за единицу, а отсутствие импульса - за ноль. Свет распространяется в сверхтонком стеклянном волокне. При попадании на него света детектор генерирует электрический импульс. Разместив на одной стороне оптического волокна источник света, а на другой - детектор, получим однонаправленную систему передачи данных. Система принимает электрические сигналы и преобразует их в световые импульсы, передающиеся по волокну. На другой стороне системы происходит обратное преобразование в электрические сигналы.

Такая передающая система была бы бесполезна, если бы свет по дороге рассеивался и терял свою мощность. Однако в данном случае используется один интересный физический закон. Когда луч света переходит из одной среды в другую, например, из стекла (расплавленного и застывшего кварца) в воздух, луч отклоняется (эффект рефракции) на границе "стекло-воздух", как показано на рис.1.1(а).

Соотношение углов падения и отражения зависит от свойств смежных сред (в частности, от их коэффициентов преломления). Если угол падения превосходит некоторую критическую величину, луч света целиком отражается обратно в стекло. Таким образом, луч света, падающий на границу сред под углом, превышающим критический, оказывается запертым внутри волокна, как показано на рис.1.1(б) и может быть передан на большое расстояние почти без потерь.

На рисунке показан только один пойманый луч света, однако поскольку любой луч света с углом падения, превышающий критический, будет отражаться от стенок волокна, то и множество лучей будет одновременно отражаться под различными углами. Про каждый луч говорят, что он обладает некоторой модой, а оптическое волокно, обладающее свойством передавать сразу несколько лучей, называется многомодовым.

Однако если уменьшить диаметр волокна до нескольких длин волн света, то волокно начинает действовать подобно волноводу, и свет может двигаться только по прямой линии, без отражений от стенок волокна. Такое волокно называется одномодовым.

Поведение света в волокне
Оптическое волокно изготавливается из стекла, которое, в свою очередь, производится из песка - недорогого необработанного материала, доступного в неограниченных количествах. Стекло применяется настолько прозрачное, что если бы океаны вместо воды состояли из него, то дно океана было бы так же ясно видно, как поверхность суши с борта самолета в ясный день.

Ослабление силы света при прохождении через стекло зависит от длины волны. Для стекла, используемого в оптическом волокне, зависимость ослабления от длины волны в децибелах на километр длины волокна показана на рис1.2 Ослабление в децибелах вычисляется по формуле: Ослабление в децибелах = 10lga/b, где a - передаваемая мощность, а b - принимаемая мощность.

Например, ослаблению мощности в два раза соответствует на графике 10lg2 = 3 дБ. На графике изображена ближняя инфракрасная часть спектра, используемая на практике. Видимый свет имеет несколько более короткие длины волн - от 0,4 до 0,7 мкм (1 мкм равен 10-6 м).

В системах связи используют три диапазона длин волн: 0,85, 1,30 и 1,55 мкм соответственно. Последние два обладают хорошими характеристиками ослабления (менее 5% потерь на километр). Диапазон 0,85 мкм обладает более высоким ослаблением, однако его преимуществом является то, что для этой длины волны лазеры и электроника могут быть сделаны из одного и того же материала (арсенида галлия).

По мере прохождения по волокну световые импульсы удлиняются. Это удлинение называется световой дисперсией. Величина удлинения зависит от длины волны. Чтобы не допустить перекрывания соседних расширяющихся импульсов, можно увеличить расстояние между ними, которое в свою очередь, приведет к уменьшению скорости передачи. Было обнаружено, что эффект дисперсии можно предотвратить, если придавать импульсам специальную форму, а именно обратной величины от гиперболического косинуса. В таком случае возможно посылать импульсы на тысячи километров без искажения формы. Такие импульсы называются уединенными волнами.

Соединение оптических волокон
Соединение отрезков кабеля может осущиствляться тремя способами.

  1. на конец кабеля может прикрепляться специальный разъем, с помощью которого кабель вставляется в оптическую розетку. Подобное соединение приводит к потере 10-20% силы света, зато оно позволяет легко изменить конфигурацию системы.
  2. они могут механически сращиваться - два аккуратно отрезанных конца кабеля укладываются рядом друг с другом и зажимаются специальной муфтой.
  3. два волокна могут быть сплавлены вместе. Сплавное соединение почти так же хорошо, как и сплошной кабель, но даже при таком методе происходит небольшое уменьшение мощности света.
Во всех трех типах соединений в точке соединения могут возникнуть отражения, и отраженный свет может интерферировать с сигналом.