0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Принцип передачи света по оптоволокну

Содержание

Принцип передачи света по оптоволокну

1.1 Оптическая связь

Принцип системы оптической связи заключается в передаче сигнала через оптоволокно к удаленному приёмнику. Электрический сигнал преобразуется в оптический и в таком виде передаётся на расстояние. В приёмном устройстве он обратно переходит в исходную электрическую форму. У волоконно-оптической связи есть множество преимуществ перед другими типами передачи информации, такими как медные жилы и системы радиосвязи.

• Сигнал может быть передан без регенерации на большое расстояние (200 км).

• Оптоволоконная передача не чувствительна к электромагнитным помехам. Кроме того, волокно не проводит электричество и фактически нечувствительно к радиочастотной интерференции.

• Оптические системы обеспечивают большее количество каналов чем физические цепи.

• Оптический кабель намного легче и тоньше чем кабель с металлическими жилами и волокна занимают в нём небольшой объём. Например, один оптоволоконный кабель может содержать 144 волокна.

• Оптическое волокно очень надёжно.

• У оптического волокна срок эксплуатации больше 25-и лет (по сравнению с 10 годами систем спутниковой связи).

• Рабочие температуры для оптического волокна изменяются, но они обычно они лежат в диапазоне от -40° до +80°C

Группа факторов ухудшают пропускание света в оптической системе связи:

1. Затухание: Поскольку световой сигнал перемещается через волокно, он теряет мощность из-за поглощения, рассеивания, и других потерь. С некоторым расстоянием мощность сигнала может уменьшиться до уровня собственных шумов приёмника.

2. Пропускная способность: Оптоволокно имеет ограниченный частотную полосу пропускания и если световой сигнал использует несколько частот, то это явление уменьшает информационную пропускную способность.

3. Дисперсия: Импульсы света распространяющиеся в волокне расширяются и тем ограничивают информационную пропускную способность на высоких скоростях передачи или укорачивается её расстояние.

1.2 Строение оптоволокна

Оптический волновод это тонкая стеклянная нить, окруженная пластиковым защитным покрытием. Нить оптоволокна состоит из двух частей: внутренняя сердцевина и наружная оболочка. Свет, введенный в стеклянную сердцевину проходит в ней многократно отражаясь от её границы с оболочкой.


Строение оптического волокна

1.3 Принципы передачи

Луч света вводится в волокно под малым углом α. Возможность оптоволокна принять свет в сердцевину (максимальное приемлемое значение угла) определяется его числовой апертурой (NA)

Где α — максимальный угол ввода (то есть, предельный угол между осью и углом полного отражения сердцевины), n1 показатель преломления сердцевины и n2; показатель преломления оболочки.
Ввод света в оптоволокно

Полный приемный конус оптического волокна определяется как 2α

1.3.1 Распространение света в оптоволокне

Распространение луча света в оптическом волокне происходит по закону Снелла-Декарта. Часть света вводится через полный приемный конус оптоволокна.

1.3.1.1 Преломление

Явление преломления выражается в изменении угла прохождения луча света через границу двух сред. Если α > α, то луч полностью преломляется и выходит из сердцевины.


Преломление света

1.3.1.2 Отражение

Отражение является изменением направления светового луча на границе между двумя средами. В этом случае, световой луч возвращается в сердцевину, из которой он произошел.

1.3.2 Скорость

Скорость с которой свет перемещается через среду передачи определяется показателем преломления этой среды. Показатель преломления среды (n) является коэффициентом отношения скорости света в вакууме к скорости света в этой среде.

Где n является показателем преломления среды передачи, с скорость света в вакууме (2.99792458 · 10 8 мс), и v скорость света в среде передачи.

Типичные значения n для стекла используемого в качестве оптоволокна лежит между 1.45 и 1.55. Как правило, чем выше показатель преломления, тем меньше скорость в среде передачи.


Сравнение скорости прохождения света через различные среды

Значения типичного показателя преломления разных производителей и различных типов оптоволокна:

• Corning® LEAF®
n = 1.468 в 1550 нм
n = 1.469 в 1625 нм

• OFS TrueWave® REACH
n = 1.471 в 1310 нм
n = 1.470 в 1550 нм

1.3.3 Пропускная способность

Пропускная способность зависит от ширины частотного диапазона, на котором способно работать оптическое волокно. Пропускную способность волокна определяет максимальная информационная емкость канала, который может быть передан вдоль волокна по данному расстоянию. Пропускная способность вырается в МГц o км. В многомодовом оптоволокне пропускная способность, главным образом, ограниченна модовой дисперсией; тогда как такое ограничение отсутствует для одномодовых волокон.


Пропускная способность оптической линии в зависимости от типа волокна

Неофициальный перевод книги Reference Guide to Fiber Optic Testing. Second edition. 2011 J. Laferriere, G. Lietaert, R. Taws, S. Wolszczak. Англоязычный вариант книги доступен в сети Интернет и состоит из трёх частей: две части — основной материал и третья часть — глоссарий. На данный момент книга переведена не вся и материал будет дополняться в процессе. Заранее извиняюсь за ошибки перевода. Со страниц сайта доступны главы:

Пиу-пиу

Лазер как способ передавать текстовые сообщения

Телефон из бумажных стаканчиков из-под мороженого вполне можно считать одним из важнейших изобретений человечества. Это простое устройство, которое может собрать даже ребенок, позволяет вести разговор на относительно большом расстоянии. Не межгород, конечно, но на расстоянии пары десятков метров работает. Помните детский восторг, когда, прислонив ухо к стаканчику или спичечному коробку, вы слышали голос своего приятеля?

Время прошло. Технологии шагнули далеко вперед, но частичка детства все еще остается с нами. Случившаяся самоизоляция значительно усложнила покупку устройств для самоделок, но дала достаточно времени на испытание не очень распространенных способов обмена сообщениями. Совместно с инженерами «Авито» (кстати, недавно они выложили отличный Playbook) редактор N + 1 Василий Сычёв создал компактные кодировщики-декодировщики Морзе, способные передавать сообщения с помощью лазерного луча.

Свет как способ связи

Человечество изобрело множество способов обмениваться информацией на расстоянии. Для этого оно использовало дым от костров, трубы, барабаны, электромагнитные волны и, конечно же, свет. Сегодня без оптических сетей сложно представить высокоскоростной доступ в интернет — по меньшей мере в ваш подъезд сделан ввод международной сети с помощью оптического волокна. Но началось все, пожалуй, в 1880 году.

Тогда канадский изобретатель шотландского происхождения Александер Белл и его помощница Сара Орр запатентовали устройство, позволявшее вести разговор на расстоянии с помощью света. Это устройство получило название «фотофон». Оно состояло из передатчика — тонкого способного вибрировать зеркала — и приемника — параболического зеркала с селеновыми ячейками в точке фокусировки. Передатчик фотофона отражал свет в сторону приемника.

Принцип работы устройства был довольно прост. Человек, говоривший в передатчик, вызывал колебания отражающего зеркала. Это приводило к неравномерному отражению солнечного света и, как следствие, неравномерному же освещению приемника. Такая вот модуляция. Селеновые же ячейки в параболическом зеркале приемника под воздействием неравномерного освещения изменяли свое электрическое сопротивление от нескольких сотен до нескольких десятков Ом.

Таким образом осуществлялась модуляция электрического тока в цепи приемника. Изменения тока вызывали колебания пластин в наушниках, благодаря чему и воспроизводился принятый фотофоном голос.

Патентное изображение фотофона

Fondo Antiguo de la Biblioteca de la Universidad de Sevilla / Flickr

Современные волоконно-оптические линии и так называемые линии оптики свободного пространства (FSO, free space optics) являются потомками того самого фотофона. В них оптические модемы — устройства, модулирующие световое излучение, — передают данные на большие расстояния посредством тончайших стеклянных проволочек или мощных лазерных излучателей.

Эти системы обмена данными в известной степени уязвимы: если между приемо-передатчиками FSO установить непрозрачный объект или порвать стеклянную проволочку, обмен данными прекратится. Однако тщательное проектирование и высочайшие скорости обмена информацией (волоконно-оптическая связь в идеальных условиях может обеспечить обмен данными на скорости до 16 терабит в секунду), сводят эти недостатки на нет.

Доморощенная оптика свободного пространства

Оптика свободного пространства используется довольно широко. С ее помощью, например, обеспечивают связь между домами в условиях городской застройки, когда прокладывание проводных линий связи обходится дорого или крайне усложнено. Кроме того, иногда такая технология используется для организации связи между базовыми станциями сотовой связи или для создания защищенного канала связи, устойчивого к радиопомехам.

Приемо-передатчики FSO представляют собой устройства с оптическими приемниками и лазерными инфракрасными передатчиками. При этом передача модулированного лазерного сигнала производится через атмосферу без дополнительных приспособлений. В таких устройствах обычно используются лазеры с длиной волны от 700 до 950 нанометров или 1550 нанометров. В идеальных условиях технология FSO позволяет обмениваться данными на скорости до 30 гигабит в секунду на расстоянии до трех километров.

Устройства, которые мы собрали совместно с инженерами «Авито», можно сказать, используют технологию FSO. В самом примитивном ее виде. Устройства довольно просты. Всего мы собрали два устройства, с помощью которых два самоизолированных москвича на расстоянии сотни метров могут обмениваться простыми текстовыми сообщениями.

Схема лазерного приемо-передатчика кода Морзе на основе Arduino Nano

Каждое устройство выполнено на базе микроконтроллера Arduino Nano, миниатюризованный аналог платы Arduino Uno. На основе такой мы уже собирали флопотрон. Кроме того, в конструкцию устройства входит жидкокристаллический символьный дисплей на две строки по 16 символов в каждой. Передача символов на дисплей и управление им производятся с помощью платы-преобразователя шины I2C (обмен данными со множеством устройств всего по двум проводам), линии данных которой подключены к аналоговым пинам A4 и A5.

Наконец, устройство оснащено лазерным излучателем для передачи данных, фоторезистором для регистрации излучения и тактовой кнопкой. Включать лазерный излучатель можно как нажатием кнопки, так и программно, подавая на него питание с помощью управляемого пина на плате Arduino Nano. Фоторезистор сделан частью делителя напряжения и подключен к цифровому пину D2.

Сам фоторезистор пришлось спрятать внутри гильзы для обжима многожильной проводки. Дело в том, что днем уровень освещенности достаточно высок, чтобы на цифровом пине D2 определялась постоянная логическая единица. Гильза служит своего рода блендой, препятствующей попаданию на фоторезистор паразитной засветки. Кроме того, внутри металлическая гильза имеет зеркальную поверхность, что несколько упрощает прицеливание лазерным лучом.

Анод лазера подключен к цифровому пину D3. При нажатии кнопки пять вольт подаются непосредственно на лазер, а при программном управлении — на цифровом пине D3 появляется логическая единица, то есть напряжение около пяти вольт. В обоих случаях лазер включается. При отпускании кнопки или переводе D3 в логический ноль, лазер выключается.

Объявление, по которому были куплены все необходимые для проекта модули

Передавать символы ASCII можно восьмибитными пакетами, состоящими из последовательности восьми нулей и единиц. При использовании микроконтроллеров и автоматизации передачи сообщений, возможно создать алгоритм синхронизации, при котором передать единицу можно включением лазера на строго определенный промежуток времени и выключением его опять же на строго определенный промежуток времени.

Мы пошли более простым путем, избавляющим от необходимости синхронизации. Для передачи сообщений мы решили использовать код Морзе, в обиходе более известный как азбука Морзе. В ней каждая буква алфавита (а в расширенном варианте — цифра и несколько специальных символов, включая восклицательный знак, скобку и знак окончания сообщения) представлена уникальной последовательностью точек и тире: от одного до шести знаков.

Именно такая бинарность кода Морзе делает его удобным для передачи на расстояние с помощью лазера. Для того, чтобы избежать необходимости писать алгоритм синхронизации передачи и приема сообщений, мы решили отказаться от передачи точки, которую приняли за условный ноль, выключением лазера. Вместо этого передача производится именно по принципу морзянки: короткое включение лазера — точка, длинное — тире.

Программная часть

Мы написали два варианта скетча (так называется программа для Arduino). Первый вариант состоит из 92 строк кода. Он описывает работу микроконтроллера только в качестве приемника и декодировщика кода Морзе. В этом случае отправка сообщений производится, можно сказать, по-старинке: нажатием кнопки вручную. Посмотреть весь код можно на GitHub; он подробно прокомментирован. Здесь мы приведем лишь небольшую часть кода, исполняемую в цикле loop .

В этом коде определение тире или точки производится с помощью чтения состояния пина D2 и продолжительности этого состояния. Для этого используется функция millis() возвращающая время от начала исполнения цикла loop в миллисекундах.

Сначала необходимо определить, облучается ли фоторезистор лазером. Для этого в переменную press записывается время от начала цикла loop . Затем, если фоторезистор облучается и на пине D2 возникает логическая единица, начинает работать цикл while , записанный по принципу while true. То есть он повторяется до тех пор, пока на D2 присутствует логическая единица, то есть условие цикла является истинным.

На протяжении всего цикла производится постоянное вычисление продолжительности сигнала на фоторезисторе. Это простая формула: из текущего времени от начала цикла loop , возвращаемого функцией millis() , отнимается время, прежде записанное в переменную press . Вычисленная разница записывается в переменную signal .

Как только фоторезистор перестает облучаться и на D2 появляется логический ноль, цикл while прерывается, и код в теле loop продолжает исполнятся. Отдельно написанная функция morzeCode() позволяет по величине в переменной signal определить, пришла точка или тире. Опытным путем было установлено, что при ручном нажатии кнопки величина signal не превышает 200 миллисекунд в случае точки, и превышает их в случае тире.

Результат работы функции morzeCoder() — символ точки или тире — сохраняется в строковую переменную morze с помощью конкатенации. Следует отметить, что это не лучшее решение, поскольку работа со строковыми переменными в Arduino реализована криво и иногда может давать неожиданный результат. В нашем случае все работает замечательно, но все равно следует быть осторожным.

Для того, чтобы конкатенация работала, в программе реализован оператор ветвления if с условием, что значение переменной signal больше 100. И он же служит своего рода защитой от регистрации возможных случайных вспышек или паразитной засветки фоторезистора.

Наконец, введен дополнительный цикл while , срабатывающий в том случае, если на D2 появляется логический ноль. Цикл срабатывает, если функция digitalRead() возвращает 0. В этом цикле измеряется время, в течение которого не регистрируется лазерное излучение. Это необходимо для разделения передачи символов морзянкой. Благодаря этому последовательность точек и тире считается завершенной, если новых вспышек лазера не регистрируется больше двух секунд (в случае автоматической отправки сообщений продолжительность импульсов точек и тире, а также интервалы между последовательностями точек и тире можно существенно уменьшить).

Читать еще:  Холодное копчение на дачном участке

Второй скетч представляет собой доработанный вариант первого. Он состоит из 125 строк кода. В этом варианте добавлена возможность обмениваться информацией с компьютером через последовательный порт (он эмулируется Arduino и определяется в системе как один из номерных портов COM). Отправлять на Arduino Nano сообщения и принимать сообщения от микроконтроллера можно с помощью встроенного в среду разработки Arduino IDE «Монитора порта». Для разбора принимаемых Arduino Nano с компьютера сообщений, кодирования их в морзянку и отправку на другое устройство с помощью лазера была дописана небольшая функция. Вот она:

В ней текст, переданный Arduino Nano с помощью «Монитора порта», записывается в строковую переменную message с помощью метода readString() объекта Serial . Этот объект описывает работу с последовательным портом. Затем принятое сообщение передается обратно в «Монитор порта» для контроля — чтобы оператор (будем так называть человека, посылающего сообщение) мог увидеть, действительно ли текст принят Arduino Nano.

Дальнейшая задача отправки кода Морзе с помощью лазера решается тремя, вложенными один в другой циклами for . Первый цикл итерирует по каждой букве полученного через «Монитор порта» текста. Второй — повторяется 55 раз (по числу хранящихся в массивах последовательностей кодов Морзе и соответствующих им букв алфавита). Он необходим для того, чтобы сопоставлять каждую букву сообщения (определяется первым циклом) с каждой переменной в массиве букв алфавита (определяется вторым циклом).

В случае, если найдено совпадение между буквой в сообщении и буквой в массиве, запускается третий цикл. Он итерирует по каждому символу в последовательности точек и тире, соответствующей определенной ранее букве. В случае, если в последовательности встречается точка, лазер включается на 100 миллисекунд, а если тире — то на 250. Продолжительность включения можно уменьшить. Тогда повысится скорость передачи сообщения.

Наконец, после того, как отработают два цикла, вложенных в первый, выполнение программы приостанавливается на 800 миллисекунд. Это необходимо для того, чтобы сработал таймер задержки, то есть программа определила, что последовательность точек и тире передана и дальнейших вспышек лазера не последует. Только после этого на экран выводится декодированный символ и все повторяется сначала до тех пор, пока не закончатся буквы в принятом от «Монитора порта» тексте.

К слову, если в первом варианте скетча код Морзе кодировал буквы русского алфавита, то во втором он кодирует буквы латинского алфавита. Таким образом пришлось обойти одно из ограничений Arduino. Дело в том, что «Монитор порта» Arduino IDE, передает русский текст в кодировке Windows 1251, родной кодировке для операционных систем Windows. В этой же кодировке Arduino IDE возвращает принятый текст «Монитору порта».

Однако внутри себя Arduino Nano, как и другие Arduino, работает с принятым текстом в кодировке UTF. В случае с латинским алфавитом, это не вызывает никаких проблем, — для всех кодировок латинские буквы имеют одинаковое расположение в таблицах этих самых кодировок. Русские же буквы в таблицах кодировок Windows 1251 и UTF имеют разное положение. В результате буквы, принятые в кодировке Windows, при прямом отображении в UTF без конвертации выводятся в виде «крякозябр». Вы, наверное, встречали такое на некоторых сайтах, особенно старых, не поддерживающих или поддерживающих неправильно кодировку UTF-8.

В целом же оба скетча выводят информацию на дисплей на двух строках. На первой строке дисплея отображается принимаемый код Морзе. На второй — декодированное сообщение. Причем если символы во второй строке заканчиваются, а принятое сообщение еще закончилось, оно продолжает отображаться на этой же строке слева направо, постепенно стирая ранее выведенную на дисплей информацию — своеобразная бегущая строка.

Подводя итог, можно сказать одно: Arduino — одна из замечательных платформ, позволяющих интерактивно и увлекательно изучать языки программирования. В данном случае — основы C и C++. Написал простой код — помигал светодиодом, написал код посложнее — передал текст с помощью лазера.

В чем преимущества Li-Fi?

Если мы говорим о том, что Li-Fi вытеснит Wi-Fi, для этого должны быть веские аргументы. И они уже есть у тех, кто стоит за внедрением Li-Fi-сетей.

Высокая скорость передачи данных

Выше упоминалась цифра в 100 Мбит/с – она относится к двусторонней отправке пакетов. В одностороннем направлении она возрастает до 155 Мбит/с. В немецком Институте фотонных микросхем пошли еще дальше и создали точку доступа Li-Fi, которая обеспечивает передачу данных на скорости до 1 Гбит/с! Это примерно столько же, как у привычного USB-соединения и намного больше, чем у Wi-Fi-сетей.

Надежная защита от взлома

Так как в Li-Fi передача данных возможна только в прямой видимости от источника света, то коммуникации не проникают сквозь стены. Соответственно, их намного сложнее перехватить. Помимо прямой видимости практикуется использование света, отраженного от стен.

Работа там, где использование WiFi нежелательно

Многие технологичные приборы в промышленности и авиации чувствительны к радиоволнам – там Li-Fi сможет эффективно решить проблему передачи данных, не прибегая к проводам. Яркие примеры таких объектов – самолеты, медицинские учреждения, атомные электростанции, буровые установки.

Экзотический вариант использования Li-Fi – под водой, для связи дайверов и субмарин. Стандартные методы связи в подобных условиях не работают.

Реализация на практике

Как пояснили корреспонденту NAG.ru в Российском квантовом центре, в настоящее время уже доступны несколько способов реализации квантовой передачи данных. Наибольшее распространение получила передача по волоконно-оптическим линиям. Это характеризуется тем, что в мире проложено достаточно большое количество оптического кабеля, который долгое время не используется и вряд ли будет применяться в ближайшие годы. Такие оптические волокна называют «темным волокном» — они отлично подходят для тестирования метода передачи данных квантовым шифрованием.

Впервые коммерческая система квантовой криптографии была презентована в Швейцарии в 2002 году. Инженеры из швейцарской компании GAP-Optique создали компактное устройство, которое подключалось к персональному компьютеру. В результате эксперимента была установлена связь по оптоволокну между Женевой и Лузанной. Сигнал создавался лазером, а скорость передачи составила не более 117,6 кбит/с.

Несмотря на то, что в настоящее время технология квантовой криптографии по большей части применяется в экспериментальных проектах с прицелом на будущее, и это скорее технология на перспективу — квантовое шифрование уже было опробовано в ряде серьезных проектов. Например, информационное обслуживание Чемпионата мира по футболу в 2010 году.

В 2011 году в Токио прошла демонстрация проекта «Tokyo QKD Network», в ходе которого тестировалось квантовое шифрование телекоммуникационных сетей. Была проведена пробная телеконференция на расстоянии в 45 км. Связь в системе обеспечивалась обычными оптоволоконными линиями.

Сейчас самые масштабные проекты по построении мощных квантовых сетей реализуются в США и Китае. Причем, в Поднебесной похоже увидели реальную перспективу квантовой криптографии, потому как именно там в последние месяцы появляется большая часть разработок в этой области. Например, сеть квантовых коммуникаций, которая должна соединить между собой Пекин и Шанхай протянется на 1000 километров. Кроме того в Поднебесной уже готовятся запустить в небо спутник квантовой связи, который станет своего рода началом для построения «квантового космического интернета».

В этом случае речь идет уже не только о квантовой криптографии, а еще и о возможности достигнуть значительно больших скоростей передачи данных с помощью квантовой телепортации. Планируется, что на спутнике будет располагаться кристалл, который будет генерировать и запускать пары «запутанных» фотонов и отправлять их на принимающие станции в Китае и Австрии. Таким образом, ученые смогут узнать, получится ли оставить связь между запутанными фотонами при их передаче на 1200 километров. Если эксперимент удастся, то эта технология станет мощным толчком к развитию квантового интернета.

Теория оптического волокна. Оптоволоконные технологии

Закон оптики

Породить световую волну довольно просто, не так-то просто ее сохранить и управлять ею. Однако это возможно, если использовать оптические законы распространения света. В оптоволоконных технологиях используется волновая теория света. Т.е. свет рассматривается как электромагнитная волна определенной длины. Для ее транспортировки используются изолированные оптически прозрачные среды. В однородной среде электромагнитная волна распространяется прямолинейно, однако на границе изменения плотности среды ее направление и качественный состав меняются. В упрощенном варианте рассмотрим две граничащие среды с разной плотностью. Распространяясь в одной из них луч может достигать поверхности другой под некоторым углом a (к нормали поверхности). При этом волна частично отражается в среду из которой пришла под углом b и частично проникает в новую среду в измененном направлении под углом c.

Согласно физическим законам распространения света угол падения луча равен углу отражения, т.е. a=b. Также если обозначить величину плотности сред как n1 и n2, то угол преломления c, находится из соотношения n1*sin a = n2*sin c (1). Эффект преломления света может отсутствовать, т.е. возможна ситуация полного отражения света. Для этого достаточно, чтобы угол c был хотя бы нулевым. Трансформируя выражение (1) получаем достаточное условие полного отражения света: sin a = n2/n1. Именно за счет данного эффекта в современных оптоволоконных технологиях удается управлять распространением света в требуемой среде.

Принцип оптического волокна

Для того, чтобы передать свет на большие расстояния необходимо сохранить его мощность. Снизить потери при его передаче можно во-первых обеспечив достаточно оптически прозрачную среду распространения, тем самым сведя к минимуму поглощение волны, и во-вторых обеспечить правильную траекторию движения луча. Первая задача в настоящее время решается с помощью применения высокотехнологичных материалов, таких как чистое кварцевое стекло. Вторая задача решается с помощью закона оптики, описанного выше. За счет эффекта полного отражения света, можно заставить луч «гулять» внутри ограниченной замкнутой среды, проделывая путь от источника сигнала до его приемника. Однако для этого необходимо две среды с разной плотностью. Чаще всего в их качестве применяются кварцевые стекла различной плотности. Волну впускают в более плотную среду, ограниченную менее плотной. Среды вытягивают в так называемое оптическое волокно, сердцевину которого составляет более плотное стекло, в разрезе представляющее окружность и часто называемого световодом. Данный сердечник покрывают оболочкой из менее плотного стекла, при достижении которого транспортируемый сигнал будет полностью отражаться. Для предотвращения механических повреждений конструкция также снабжается защитной оболочкой, именуемой первичным покрытием.

Для достижения сигналом адресата, необходимо впускать в сердцевину лучи под углом к боковой поверхности не менее критического. В этом случае реализуется эффект полного отражения, и теоретически луч никогда не покинет сердечника кроме как через окончание волокна. Однако на практике все же существует некоторый процент преломляемых лучей. Это связанно во-первых со сложностью реализации подобного источника света, во-вторых с невозможностью изготовления идеально ровного волокна, и в-третьих с неидеальной инсталяцией оптического кабеля.

Межмодовая дисперсия

Поскольку источники излучения не идеальны, испускаемые ими волны не совсем идентичны и могут различаться по направлению распространения. Единичная независимая траектория распространения волны именуется модой. Очевидно, что луч, направленный параллельно оси световода проходит меньшее расстояние, нежели луч распространяющийся по траектории ломаной за счет эффекта отражения. Как следствие, лучи достигнут конца сердечника в разные моменты времени.

При учете неидеальных свойств применяемых источников светового сигнала возможна ситуация, когда изначальный световой импульс содержит некоторое множество волн, входящих в световод под разными углами. В итоге импульс раскладывается на множество отдельных волн, достигающих приемник в разные моменты. Именно этот разброс времени и называется межмодовой дисперсией.

Межчастотная дисперсия

Погрешность источников излучения еще состоит и в некотором разбросе генерируемых частот. Испускаемые волны не совсем идентичны и могут различаться по длине. Согласно законам физики более короткие волны распространяются быстрее, а следовательно волны достигают конца световода в разные моменты времени.

При учете неидеальных свойств применяемых источников светового сигнала возможна ситуация, когда изначальный световой импульс содержит некоторое множество входящих в световод волн с разной частотой. В итоге импульс раскладывается на множество отдельных волн, достигающих приемник в разное время. Именно этот разброс времени и называется межчастотной дисперсией.

Материальная дисперсия

Скорость преодоления расстояний волной зависит не только от частоты, но и от плотности среды распространения. В применяемых в настоящее время световодах распределение плотности сердечника может быть неравномерным, как в случае с градиентными волокнами (об этом позже). Вследствие этого волны, проходящие путь по разным траекториям обладают разными скоростями распространения и оказываются в приемнике в разное время.

При учете неидеальных свойств применяемых источников светового сигнала возможна ситуация, когда изначальный световой импульс содержит некоторое множество волн, проходящих световод по разным траекториям, каждая из которых пересекает участки среды с разными плотностями. В итоге импульс раскладывается на множество отдельных волн, достигающих приемник в разное время. Именно этот разброс времени и называется материальной дисперсией.

Влияние дисперсии на пропускную способность канала

Многомодовое ступенчатое волокно

Основное различие между вариантами оптического волокна состоит в свойствах применяемого в них сердечника. Самый простой вариант сердечника — это кварцевое стекло с равномерной плотностью. Если отобразить плотности распределения слоев волокна, то получится ступенчатая картина, что и отображено в названии этого типа волокна. При достаточно большом радиусе равномерно плотного световода наблюдается эффект межмодовой дисперсии. Ее влияние на производительность оптического канала оказывается много больше межчастотной и материальной. Поэтому при расчете пропускной способности канала пользуются именно ее показателями.

В настоящее время используют три стандартных диаметра сердечника многомодового волокна: 100 микрон, 62.5 микрон и 50 микрон. Наиболее распространены световоды диаметром 62.5 микрон, однако постепенно все более прочные позиции завоевывает сердечник 50 микрон. Вследствие простых геометрических законов распространения света несложно убедиться в его большей пропускной способности, поскольку он пропускает меньшее количество мод, тем самым уменьшая дисперсию импульса на выходе. Размер световодов выбран не случайно. Он непосредственно связан с используемой частотой световой волны. На данный момент выделяют три основных длины волны: 850 нм, 1300 нм и 1500 нм. Почему выбраны именно эти длины волн, мы поясним позже.
Многомодовые ступенчатые волокна обладают малой пропускной способностью относительно действительных возможностей света, в связи с этим чаще в многомодовой технологии используют градиентные волокна.

Многомодовое градиентное волокно

Название волокна говорит само за себя. Основное отличие градиентного волокна от ступенчатого заключается в неравномерной плотности материала световода. Если отобразить плотности распределение на графике, то получится параболическая картина. Эффект межмодовой дисперсии как и в случае ступенчатой схемы все же проявляется, однако намного меньше. Это легко объяснимо с точки зрении геометрии. На рисунке видно, что длины пути лучей сильно сокращены за счет сглаживания. Более того интересен тот факт, что лучи проходящие дальше от оси световода хотя и преодолевают большие расстояния, но при этом имеют большие скорости, так как плотность материала от центра к внешнему радиусу уменьшается. А световая волна распространяется тем быстрее, чем меньше плотность среды.

В итоге более длинные траектории компенсируются большей скоростью. При удачно сбалансированном распределении плотности стекла возможно свести к минимуму разницу во времени распространения, за счет этого межмодовая дисперсия градиентного волокна намного меньше. Как и в случае со ступенчатым волокном, в настоящее время используют три стандартных диаметра градиентного сердечника: 100 микрон, 62.5 микрон и 50 микрон, работающих также на частотах 850 нм, 1300 нм и 1500 нм. Однако насколько не были бы сбалансированны градиентные многомодовые волокна, их пропускная способность не сравниться с одномодовыми технологиями.

Одномодовое волокно

Согласно законам физики, при достаточно малом диаметре волокна и соответствующей длине волны через световод будет распространяться единственный луч. Вообще сам факт подбора диаметра сердечника под одномодовый режим распространения сигнала говорит о частности каждого отдельного варианта конструкции световода. Т.е. при употреблении понятий много- и одномодовости следует понимать характеристики волокна относительно конкретной частоты используемой волны.

Читать еще:  Возводим ленточный фундамент для дачного дома

Распространение лишь одного луча позволяет избавиться от межмодовой дисперсии. Как уже отмечалась именно эта дисперсия имеет наибольшее влияние на пропускную способность канала. Величины материальной и межчастотной дисперсии на порядки меньше межмодовой. Однако одномодовое волокно исключает возможность распространения нескольких лучей, поэтому межмодовая дисперсия отсутствует, в связи с чем одномодовые световоды на порядки производительнее. На данный момент применяется сердечник с внешним диаметром около 8 микрон. Как и в случае с многомодовыми световодами, используется и ступенчатая и градиентная плотность распределения материала. Второй вариант более производительный. Одномодовая технология более тонкая, дорогая и применяется в настоящее время в телекоммуникациях, многомодовые же кабели завоевали свою нишу в локальных компьютерных сетях.

Затухание сигнала, окна прозрачности

Кроме сложностей, связанных с уменьшением дисперсии волны, существует и проблема сохранения мощности передаваемого сигнала. Хотя световую волну сохранить легче, чем электрический ток, она испытывает эффект поглощения и рассеивания. Первый связан с преобразованием одного вида энергии в другой. Так волна определенной длины порождает в некоторых химических элементах изменение орбит электронов, в других происходит резонанс. Это в свою очередь и порождает преобразование энергии. Известно, что поглощение волны тем меньше, чем меньше ее длина. В связи с этим применять чрезмерно длинные волны невозможно, так как резко возрастают потери при нагреве световодов. Однако с другой стороны безгранично снижать длины волн тоже нецелесообразно, так как в этом случае возрастают потери на рассеивании сигнала. Именно баланс рассеивания и поглощения волны определяет диапазон применяемых волн в оптоволоконных технологиях.

Теоретически лучшие показатели достигаются на пересечении кривых поглощения и рассеивания. На практике зависимость затухания несколько сложнее и связана с химическим составом среды, в которой распространяется волна. В световодах основными химическими элементами являются кремний и кислород, каждый из которых проявляет активность на определенной частоте волны, с чем связано ухудшение теоретической прозрачности материала световода в двух окрестностях. В итоге образуются три окна в диапазоне длин волн. В рамках этих окон затухание волны имеет наименьшее значение. Сам параметр оптических потерь измеряется в децибелах на километр.

Используемые длины волн

Именно «окна прозрачности» определили длины волн, которые используются в современных оптоволоконных технологиях. Чаще всего это три длины — 850 нм, 1300 нм и 1500 нм. Наиболее качественной и высокоскоростной связью обладают каналы на основе волн длиной 1500 нм. Однако оконечное оборудование, способное работать на данной длине волны значительно дороже и предполагает применение только лазерных источников света. Поэтому зачастую возникает проблема оценки экономической целесообразности применения подобных сетей.
Рабочая длина волны 850 нм наиболее характерна для многомодовых волокон, тогда как одномодовые волокна применяются для волн длиной на 1500 нм.

Материалы предоставлены компаний AESP, известным производителем сетевого и коммуникационного оборудования, разработчиком кабельной системы SygnaMax.

Алгоритм удаляет людей с видео в реальном времени

На веб-сервиса GitHub появился код для браузера, который позволяет удалять людей из видео в режиме реального времени. Алгоритм распознает структуру фона и на ее основе достраивает недостающие куски изображения, которые раньше занимала человеческая фигура. Для разработки кода использовалась система машинного обучения TensorFlow.js. Запустить ее в браузере можно с помощью JavaScript.

На протяжении последних лет появилось как минимум несколько подобных программ. Однако, в отличие от новой разработки, ни одна из них не работает с видео в режиме реального времени. В теории новый алгоритм можно будет внедрять не только в браузеры, но и в программное обеспечение для видеокамер. Это позволит «стирать» с них определенных людей — например, подозреваемых в преступлениях.

Автор кода отмечает, что его разработка — эксперимент, так что она не всегда справляется с задачами идеально. Действительно, на представленном образце видео хорошо заметны многочисленные артефакты. Тем не менее, для онлайн-инструмента алгоритм выглядит весьма достойно. Код доступен для применения и модификации любыми желающими. Например, на сайтах Codepen.io и Glitch.com можно протестировать его для собственной веб-камеры.

Спор не ради славы

На определение приоритета в изобретении радио и сегодня влияют коммерческие интересы производителей

Русский ученый и инженер Александр Попов первым изобрел радиопередатчик, но никаких документов, подтверждающих этот факт, не сохранилось. То ли изобретатель не позаботился о необходимых авторских свидетельствах из-за своей занятости или юридической неграмотности, то ли ему помешал в этом чрезмерный (до бессмысленности) режим секретности Морского ведомства, в котором он состоял на службе. Зато итальянец Гульельмо Маркони, проводивший аналогичные опыты по передаче сигнала с помощью электромагнитных волн, постарался запечатлеть свое имя в истории. Он первым запатентовал это изобретение.

Такая версия достаточно часто звучит в российских СМИ в связи с отмечаемым 7 мая Днем радио. В западных изданиях изобретателем радио однозначно признается Маркони, а о том, что до сих пор ведется спор о приоритете, и о самом Александре Попове не упоминается ни слова. Даже на русскоязычном сайте BBC в декабре 2001 года размещена статья, в которой в связи с изобретением радио восхваляется только Маркони. Имя Попова появляется лишь среди едва заметных ссылок по теме.

Большие заслуги российского ученого перед наукой и техникой признают авторитетные международные организации. Однако популярные зарубежные энциклопедии «отцом радио» снова называют Маркони и опять-таки ни слова не говорят о Попове. В одной такой энциклопедии, хранящейся в Мемориальном музее А.С.Попова, утверждается, что все достижения в радиосвязи последнего столетия стали возможны только благодаря Маркони.

Прочитав такие заметки, можно подумать, что российский инженер вовсе не сделал своего изобретения, а вся история с передачей им радиосигнала в Кронштадте является патриотической выдумкой. Однако архивы документов той поры свидетельствуют, что если и признавать кого-то изобретателем радио, то именно Александра Попова.

Заслуги Маркони очевидны лишь в усовершенствовании (с помощью нанятых инженеров) уже изобретенной системы радиосвязи и в организации массового производства приемо-передающих устройств. В первые десятилетия прошлого века его фирма контролировала примерно 30% мирового рынка таких систем.

Плоды общего знания

Серьезные исторические исследования свидетельствуют, что Маркони мог ознакомиться с работами Попова еще до получения своего патента. Однако неоспоримых доказательств заимствования идеи нет, поэтому сотрудники Мемориального музея А.С.Попова при санкт-петербургском Электротехническом университете категорически против каких-либо обвинений Маркони в плагиате. Они допускают, что опыты осуществлялись независимо и параллельно, но говорят, что передачу информации на расстояние с помощью электромагнитных волн первым документально засвидетельствовал все же российский ученый. А вот в музее Маркони, по их словам, подобных допусков не делают. Там просто ничего не хотят знать о Попове и его работах.

Как правило, над серьезной научной проблемой работает целая группа ученых из разных стран, которые постоянно и открыто обмениваются между собой мнениями, информацией и результатами исследований. Скажем, наберется примерно с десяток имен современников и предшественников Попова, внесших существенный вклад в изобретение радио. И объективно измерить вклад каждого из них невозможно. Принято признавать изобретателем того, кто сделал последний шажок, после которого становится возможным практическое использование какого-либо устройства.

Сейчас по-прежнему актуальна проблема присвоения заслуг целого научного сообщества одним разработчиком, ученым или даже предпринимателем, который зачастую просто имел больше возможностей для патентования общего изобретения. Замалчивание этой очевидной проблемы и сохранение практики преувеличения роли одного ученого в противовес другим выгодно тем, кто незаслуженно устанавливает свои права на общее знание.

Попов, в отличие от Маркони, не претендовал на роль спасителя мира, не стремился к коммерческой выгоде и всемирной известности. Он придерживался той точки зрения, что научные открытия являются достоянием всего человечества. Патенты Попов начал получать уже после того, как Маркони четко обозначил свое стремление к монополизации мирового рынка систем радиосвязи.

В некоторых критических статьях последних десятилетий говорится о том, что сам факт наличия патентов свидетельствует о жажде наживы Попова, а предположения об альтруизме российского ученого однозначно опровергаются. Однако не стоит забывать, что в конце XIX века в России стремление к богатству, как и само богатство, считалось грехом. Альтруизм тогда был вполне естественен. К тому же и после получения патентов Попов отдавал предпочтение не зарабатыванию денег, а научной и преподавательской деятельности. Он умер в 1906 году далеко не очень богатым человеком, хотя возможности разбогатеть у него, безусловно, имелись.

Майская демонстрация

Александр Попов впервые в мире продемонстрировал ученому сообществу саму возможность передачи информации посредством электромагнитных волн. Это произошло 7 мая 1895 года в Санкт-Петербурге, на заседании Русского физико-химического общества, и факт проведения эксперимента зафиксирован соответствующим протоколом. Попов объяснил, какие компоненты он использовал (например, в качестве передатчика служил вибратор Герца), как ему удалось создать радиоприемник и по какому принципу осуществляется передача информации. В ходе эксперимента на расстояние примерно 64 м без каких-либо проводов передавались короткие и продолжительные сигналы, то есть уже тогда можно было использовать азбуку Морзе. Для увеличения расстояния нужно было лишь увеличивать мощность передатчика и чувствительность приемника, но на самой технологии беспроводной передачи информации это не сказывалось.

Факт демонстрации Попова признан международным Институтом инженеров по электронике и электрике (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE). Эта профессиональная ассоциация насчитывает 360 тыс. индивидуальных членов, представляющих около 175 стран. Ее историческая комиссия (History Centre) устанавливает в честь наиболее важных событий в мире электроники, электротехники и вычислительной техники памятные доски — IEEE Milestones. Установка такой доски около музея-лаборатории А. С. Попова (часть Мемориального музея) планировалась в рамках международной конференции, которая прошла в Санкт-Петербурге 18-20 мая и была посвящена 110-летию изобретения радио.

Необходимо отметить, что IEEE не определяет приоритеты в изобретении радио. Эта организация просто регистрирует ключевые события. И таким событием, согласно ее исследованиям, является первая демонстрация опыта Александра Попова.

Десятилетний свидетель

Историческая комиссия IEEE отдает должное и Гульельмо Маркони. Недавно она установила «веховой столб» в швейцарском курортном местечке, в котором знаменитый итальянец летом 1895 года проводил опыты по беспроводной передаче сигнала. Основная информация об этом получена от помощника Маркони, которому в то время было всего 10 лет. По данному поводу есть заметка на сайте IEEE.

Копия протокола заседания русского физико-химического общества от 25 апреля (7 мая по новому стилю) 1895 года

Сам Маркони во время первых испытаний радио также был очень молод — ему исполнился всего 21 год. К тому же он еще не получил высшего образования. Маркони воспитывался в богатой семье и учебных заведений не посещал, если не считать лекции по электротехнике в университете его родной Болоньи. Попов был на 15 лет старше Маркони и к 1895 году не только имел высшее образование, но и читал морским офицерам лекции по электротехнике, физике и математике.

«Еще одним документальным свидетельством изобретения является статья в журнале Русского физико-химического общества, которая была отдана Поповым в печать в декабре 1895 года, а опубликована в первой половине 1896 года. В ней подробно описывались все проведенные в течение полугода опыты и полученные результаты. Этот журнал был разослан всем крупным университетам мира и до сих пор хранится в их библиотеках», — рассказала директор Мемориального музея А.С.Попова Лариса Золотинкина.

Маркони и Титаник

Первое документальное свидетельство изобретения итальянца относится к лету 1896 года. Именно тогда была подана и принята патентным ведомством Великобритании заявка «отца радио», переехавшего жить в Англию и проводившего там опыты совместно с инженерами британского почтово-телеграфного ведомства. Однако патент получен только в июле 1897 года, после предоставления существенно доработанного варианта заявки. До этого момента, по словам самого же Маркони, все научные достижения (разработанные схемы, описания и приборы) были засекречены. Запатентованная схема оказалось почти такой же, как схема Попова, представленная публике гораздо раньше. По этой причине Маркони отказали в получении патента Германия, Франция, Россия и США, ведь он пытался запатентовать то, что уже стало достоянием научной общественности. Да и в Британии первый патент получен не на изобретение радиосвязи, а на «усовершенствования в передаче электрических импульсов и сигналов и в предназначенной для этого аппаратуре».

Несомненной заслугой Маркони является коммерческое продвижение беспроводной технологии. Его энергия и предприимчивость позволили быстро усовершенствовать системы радиосвязи и вступить в борьбу с тогдашними операторами проводной связи, которым новые технологии не сулили ничего хорошего. Правда, все это он делал ради собственной коммерческой выгоды, а с этической точки зрения его действия порой были на грани допустимых.

Например, чтобы разные страны приобретали для оснащения морского флота только его системы радиосвязи, Маркони ввел собственный стандарт сигнала спасения вместо общепринятого SOS — благо, Британия имела обширные колонии и контролировала береговые линии огромной протяженности. От этой коммерческой затеи Маркони пришлось отказаться после гибели «Титаника», поскольку суда других государств прошли мимо терпящего бедствие лайнера, не поняв его сигнала о спасении.

Отец среди многих отцов

В совершенствовании систем радиосвязи немалые заслуги принадлежат не только Маркони, но и ряду инженеров-предпринимателей из Франции и Германии. Да и сам Попов с его российскими коллегами работал в этом направлении. Однако в России конца XIX века базы для массового производства систем радиосвязи не существовало. Серийный выпуск аппаратуры беспроволочной телеграфной системы «Попов-Декрюте», предназначенной для военно-морского флота, изначально осуществлялся во Франции. Первое письмо французского инженера-предпринимателя Дюкрете к Попову с предложением создать совместное производство и вообще их обширная переписка хранятся в Мемориальном музее русского изобретателя. А само производство оборудования было налажено в 1898 году.

В нашей стране первая электротехническая мастерская была открыта в Санкт-Петербурге только в 1900 году (по настоянию Попова). А серийное производство отечественных электротехнических изделий началось более чем через десять лет после описываемых событий. На базе этой мастерской со временем образовалось сразу несколько крупных предприятий, которые до сих пор действуют в Санкт-Петербурге. Руководители одного из них, Российского института мощного радиостроения, утверждают, что некоторые зарубежные компании в течение прошедшего столетия постоянно (в рамках своей PR-активности) «присваивали» изобретения сотрудников института — даже вопреки полученным этими сотрудниками патентам.

Недооценка в мире важности признания заслуг российских изобретателей, вероятно, сказывается и на получении заказов отечественными предприятиями. Чем больше значимых изобретений, тем выше имидж компаний и страны-производителя. А имидж играет важную роль, когда идет речь о выборе поставщика оборудования или исполнителя сложного проекта.

Вероятно, в принижении заслуг Попова и завышении значимости работ Маркони заинтересованы поставщики импортного оборудования. В отличие от отечественных производителей и разработчиков, они очень активны и не жалеют денег на свою «пиаровскую» деятельность. Возможно, они и предлагают российским коллегам считать «отцом радио» именно Маркони. Во всяком случае, один из представителей телекоммуникационной отрасли настоятельно советовал автору данной статьи не браться за эту тему, «поскольку все очень неоднозначно, а изобретателем радио Попова стали считать в СССР только через десятки лет после проведения им опытов по беспроводной передаче сигнала».

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями

Принцип передачи света по оптоволокну

1.1 Оптическая связь

Принцип системы оптической связи заключается в передаче сигнала через оптоволокно к удаленному приёмнику. Электрический сигнал преобразуется в оптический и в таком виде передаётся на расстояние. В приёмном устройстве он обратно переходит в исходную электрическую форму. У волоконно-оптической связи есть множество преимуществ перед другими типами передачи информации, такими как медные жилы и системы радиосвязи.

Читать еще:  Парковка на дачном участке – необходимость в наши дни

• Сигнал может быть передан без регенерации на большое расстояние (200 км).

• Оптоволоконная передача не чувствительна к электромагнитным помехам. Кроме того, волокно не проводит электричество и фактически нечувствительно к радиочастотной интерференции.

• Оптические системы обеспечивают большее количество каналов чем физические цепи.

• Оптический кабель намного легче и тоньше чем кабель с металлическими жилами и волокна занимают в нём небольшой объём. Например, один оптоволоконный кабель может содержать 144 волокна.

• Оптическое волокно очень надёжно.

• У оптического волокна срок эксплуатации больше 25-и лет (по сравнению с 10 годами систем спутниковой связи).

• Рабочие температуры для оптического волокна изменяются, но они обычно они лежат в диапазоне от -40° до +80°C

Группа факторов ухудшают пропускание света в оптической системе связи:

1. Затухание: Поскольку световой сигнал перемещается через волокно, он теряет мощность из-за поглощения, рассеивания, и других потерь. С некоторым расстоянием мощность сигнала может уменьшиться до уровня собственных шумов приёмника.

2. Пропускная способность: Оптоволокно имеет ограниченный частотную полосу пропускания и если световой сигнал использует несколько частот, то это явление уменьшает информационную пропускную способность.

3. Дисперсия: Импульсы света распространяющиеся в волокне расширяются и тем ограничивают информационную пропускную способность на высоких скоростях передачи или укорачивается её расстояние.

1.2 Строение оптоволокна

Оптический волновод это тонкая стеклянная нить, окруженная пластиковым защитным покрытием. Нить оптоволокна состоит из двух частей: внутренняя сердцевина и наружная оболочка. Свет, введенный в стеклянную сердцевину проходит в ней многократно отражаясь от её границы с оболочкой.


Строение оптического волокна

1.3 Принципы передачи

Луч света вводится в волокно под малым углом α. Возможность оптоволокна принять свет в сердцевину (максимальное приемлемое значение угла) определяется его числовой апертурой (NA)

Где α — максимальный угол ввода (то есть, предельный угол между осью и углом полного отражения сердцевины), n1 показатель преломления сердцевины и n2; показатель преломления оболочки.
Ввод света в оптоволокно

Полный приемный конус оптического волокна определяется как 2α

1.3.1 Распространение света в оптоволокне

Распространение луча света в оптическом волокне происходит по закону Снелла-Декарта. Часть света вводится через полный приемный конус оптоволокна.

1.3.1.1 Преломление

Явление преломления выражается в изменении угла прохождения луча света через границу двух сред. Если α > α, то луч полностью преломляется и выходит из сердцевины.


Преломление света

1.3.1.2 Отражение

Отражение является изменением направления светового луча на границе между двумя средами. В этом случае, световой луч возвращается в сердцевину, из которой он произошел.

1.3.2 Скорость

Скорость с которой свет перемещается через среду передачи определяется показателем преломления этой среды. Показатель преломления среды (n) является коэффициентом отношения скорости света в вакууме к скорости света в этой среде.

Где n является показателем преломления среды передачи, с скорость света в вакууме (2.99792458 · 10 8 мс), и v скорость света в среде передачи.

Типичные значения n для стекла используемого в качестве оптоволокна лежит между 1.45 и 1.55. Как правило, чем выше показатель преломления, тем меньше скорость в среде передачи.


Сравнение скорости прохождения света через различные среды

Значения типичного показателя преломления разных производителей и различных типов оптоволокна:

• Corning® LEAF®
n = 1.468 в 1550 нм
n = 1.469 в 1625 нм

• OFS TrueWave® REACH
n = 1.471 в 1310 нм
n = 1.470 в 1550 нм

1.3.3 Пропускная способность

Пропускная способность зависит от ширины частотного диапазона, на котором способно работать оптическое волокно. Пропускную способность волокна определяет максимальная информационная емкость канала, который может быть передан вдоль волокна по данному расстоянию. Пропускная способность вырается в МГц o км. В многомодовом оптоволокне пропускная способность, главным образом, ограниченна модовой дисперсией; тогда как такое ограничение отсутствует для одномодовых волокон.


Пропускная способность оптической линии в зависимости от типа волокна

Неофициальный перевод книги Reference Guide to Fiber Optic Testing. Second edition. 2011 J. Laferriere, G. Lietaert, R. Taws, S. Wolszczak. Англоязычный вариант книги доступен в сети Интернет и состоит из трёх частей: две части — основной материал и третья часть — глоссарий. На данный момент книга переведена не вся и материал будет дополняться в процессе. Заранее извиняюсь за ошибки перевода. Со страниц сайта доступны главы:

Теория оптического волокна. Оптоволоконные технологии

Закон оптики

Породить световую волну довольно просто, не так-то просто ее сохранить и управлять ею. Однако это возможно, если использовать оптические законы распространения света. В оптоволоконных технологиях используется волновая теория света. Т.е. свет рассматривается как электромагнитная волна определенной длины. Для ее транспортировки используются изолированные оптически прозрачные среды. В однородной среде электромагнитная волна распространяется прямолинейно, однако на границе изменения плотности среды ее направление и качественный состав меняются. В упрощенном варианте рассмотрим две граничащие среды с разной плотностью. Распространяясь в одной из них луч может достигать поверхности другой под некоторым углом a (к нормали поверхности). При этом волна частично отражается в среду из которой пришла под углом b и частично проникает в новую среду в измененном направлении под углом c.

Согласно физическим законам распространения света угол падения луча равен углу отражения, т.е. a=b. Также если обозначить величину плотности сред как n1 и n2, то угол преломления c, находится из соотношения n1*sin a = n2*sin c (1). Эффект преломления света может отсутствовать, т.е. возможна ситуация полного отражения света. Для этого достаточно, чтобы угол c был хотя бы нулевым. Трансформируя выражение (1) получаем достаточное условие полного отражения света: sin a = n2/n1. Именно за счет данного эффекта в современных оптоволоконных технологиях удается управлять распространением света в требуемой среде.

Принцип оптического волокна

Для того, чтобы передать свет на большие расстояния необходимо сохранить его мощность. Снизить потери при его передаче можно во-первых обеспечив достаточно оптически прозрачную среду распространения, тем самым сведя к минимуму поглощение волны, и во-вторых обеспечить правильную траекторию движения луча. Первая задача в настоящее время решается с помощью применения высокотехнологичных материалов, таких как чистое кварцевое стекло. Вторая задача решается с помощью закона оптики, описанного выше. За счет эффекта полного отражения света, можно заставить луч «гулять» внутри ограниченной замкнутой среды, проделывая путь от источника сигнала до его приемника. Однако для этого необходимо две среды с разной плотностью. Чаще всего в их качестве применяются кварцевые стекла различной плотности. Волну впускают в более плотную среду, ограниченную менее плотной. Среды вытягивают в так называемое оптическое волокно, сердцевину которого составляет более плотное стекло, в разрезе представляющее окружность и часто называемого световодом. Данный сердечник покрывают оболочкой из менее плотного стекла, при достижении которого транспортируемый сигнал будет полностью отражаться. Для предотвращения механических повреждений конструкция также снабжается защитной оболочкой, именуемой первичным покрытием.

Для достижения сигналом адресата, необходимо впускать в сердцевину лучи под углом к боковой поверхности не менее критического. В этом случае реализуется эффект полного отражения, и теоретически луч никогда не покинет сердечника кроме как через окончание волокна. Однако на практике все же существует некоторый процент преломляемых лучей. Это связанно во-первых со сложностью реализации подобного источника света, во-вторых с невозможностью изготовления идеально ровного волокна, и в-третьих с неидеальной инсталяцией оптического кабеля.

Межмодовая дисперсия

Поскольку источники излучения не идеальны, испускаемые ими волны не совсем идентичны и могут различаться по направлению распространения. Единичная независимая траектория распространения волны именуется модой. Очевидно, что луч, направленный параллельно оси световода проходит меньшее расстояние, нежели луч распространяющийся по траектории ломаной за счет эффекта отражения. Как следствие, лучи достигнут конца сердечника в разные моменты времени.

При учете неидеальных свойств применяемых источников светового сигнала возможна ситуация, когда изначальный световой импульс содержит некоторое множество волн, входящих в световод под разными углами. В итоге импульс раскладывается на множество отдельных волн, достигающих приемник в разные моменты. Именно этот разброс времени и называется межмодовой дисперсией.

Межчастотная дисперсия

Погрешность источников излучения еще состоит и в некотором разбросе генерируемых частот. Испускаемые волны не совсем идентичны и могут различаться по длине. Согласно законам физики более короткие волны распространяются быстрее, а следовательно волны достигают конца световода в разные моменты времени.

При учете неидеальных свойств применяемых источников светового сигнала возможна ситуация, когда изначальный световой импульс содержит некоторое множество входящих в световод волн с разной частотой. В итоге импульс раскладывается на множество отдельных волн, достигающих приемник в разное время. Именно этот разброс времени и называется межчастотной дисперсией.

Материальная дисперсия

Скорость преодоления расстояний волной зависит не только от частоты, но и от плотности среды распространения. В применяемых в настоящее время световодах распределение плотности сердечника может быть неравномерным, как в случае с градиентными волокнами (об этом позже). Вследствие этого волны, проходящие путь по разным траекториям обладают разными скоростями распространения и оказываются в приемнике в разное время.

При учете неидеальных свойств применяемых источников светового сигнала возможна ситуация, когда изначальный световой импульс содержит некоторое множество волн, проходящих световод по разным траекториям, каждая из которых пересекает участки среды с разными плотностями. В итоге импульс раскладывается на множество отдельных волн, достигающих приемник в разное время. Именно этот разброс времени и называется материальной дисперсией.

Влияние дисперсии на пропускную способность канала

Многомодовое ступенчатое волокно

Основное различие между вариантами оптического волокна состоит в свойствах применяемого в них сердечника. Самый простой вариант сердечника — это кварцевое стекло с равномерной плотностью. Если отобразить плотности распределения слоев волокна, то получится ступенчатая картина, что и отображено в названии этого типа волокна. При достаточно большом радиусе равномерно плотного световода наблюдается эффект межмодовой дисперсии. Ее влияние на производительность оптического канала оказывается много больше межчастотной и материальной. Поэтому при расчете пропускной способности канала пользуются именно ее показателями.

В настоящее время используют три стандартных диаметра сердечника многомодового волокна: 100 микрон, 62.5 микрон и 50 микрон. Наиболее распространены световоды диаметром 62.5 микрон, однако постепенно все более прочные позиции завоевывает сердечник 50 микрон. Вследствие простых геометрических законов распространения света несложно убедиться в его большей пропускной способности, поскольку он пропускает меньшее количество мод, тем самым уменьшая дисперсию импульса на выходе. Размер световодов выбран не случайно. Он непосредственно связан с используемой частотой световой волны. На данный момент выделяют три основных длины волны: 850 нм, 1300 нм и 1500 нм. Почему выбраны именно эти длины волн, мы поясним позже.
Многомодовые ступенчатые волокна обладают малой пропускной способностью относительно действительных возможностей света, в связи с этим чаще в многомодовой технологии используют градиентные волокна.

Многомодовое градиентное волокно

Название волокна говорит само за себя. Основное отличие градиентного волокна от ступенчатого заключается в неравномерной плотности материала световода. Если отобразить плотности распределение на графике, то получится параболическая картина. Эффект межмодовой дисперсии как и в случае ступенчатой схемы все же проявляется, однако намного меньше. Это легко объяснимо с точки зрении геометрии. На рисунке видно, что длины пути лучей сильно сокращены за счет сглаживания. Более того интересен тот факт, что лучи проходящие дальше от оси световода хотя и преодолевают большие расстояния, но при этом имеют большие скорости, так как плотность материала от центра к внешнему радиусу уменьшается. А световая волна распространяется тем быстрее, чем меньше плотность среды.

В итоге более длинные траектории компенсируются большей скоростью. При удачно сбалансированном распределении плотности стекла возможно свести к минимуму разницу во времени распространения, за счет этого межмодовая дисперсия градиентного волокна намного меньше. Как и в случае со ступенчатым волокном, в настоящее время используют три стандартных диаметра градиентного сердечника: 100 микрон, 62.5 микрон и 50 микрон, работающих также на частотах 850 нм, 1300 нм и 1500 нм. Однако насколько не были бы сбалансированны градиентные многомодовые волокна, их пропускная способность не сравниться с одномодовыми технологиями.

Одномодовое волокно

Согласно законам физики, при достаточно малом диаметре волокна и соответствующей длине волны через световод будет распространяться единственный луч. Вообще сам факт подбора диаметра сердечника под одномодовый режим распространения сигнала говорит о частности каждого отдельного варианта конструкции световода. Т.е. при употреблении понятий много- и одномодовости следует понимать характеристики волокна относительно конкретной частоты используемой волны.

Распространение лишь одного луча позволяет избавиться от межмодовой дисперсии. Как уже отмечалась именно эта дисперсия имеет наибольшее влияние на пропускную способность канала. Величины материальной и межчастотной дисперсии на порядки меньше межмодовой. Однако одномодовое волокно исключает возможность распространения нескольких лучей, поэтому межмодовая дисперсия отсутствует, в связи с чем одномодовые световоды на порядки производительнее. На данный момент применяется сердечник с внешним диаметром около 8 микрон. Как и в случае с многомодовыми световодами, используется и ступенчатая и градиентная плотность распределения материала. Второй вариант более производительный. Одномодовая технология более тонкая, дорогая и применяется в настоящее время в телекоммуникациях, многомодовые же кабели завоевали свою нишу в локальных компьютерных сетях.

Затухание сигнала, окна прозрачности

Кроме сложностей, связанных с уменьшением дисперсии волны, существует и проблема сохранения мощности передаваемого сигнала. Хотя световую волну сохранить легче, чем электрический ток, она испытывает эффект поглощения и рассеивания. Первый связан с преобразованием одного вида энергии в другой. Так волна определенной длины порождает в некоторых химических элементах изменение орбит электронов, в других происходит резонанс. Это в свою очередь и порождает преобразование энергии. Известно, что поглощение волны тем меньше, чем меньше ее длина. В связи с этим применять чрезмерно длинные волны невозможно, так как резко возрастают потери при нагреве световодов. Однако с другой стороны безгранично снижать длины волн тоже нецелесообразно, так как в этом случае возрастают потери на рассеивании сигнала. Именно баланс рассеивания и поглощения волны определяет диапазон применяемых волн в оптоволоконных технологиях.

Теоретически лучшие показатели достигаются на пересечении кривых поглощения и рассеивания. На практике зависимость затухания несколько сложнее и связана с химическим составом среды, в которой распространяется волна. В световодах основными химическими элементами являются кремний и кислород, каждый из которых проявляет активность на определенной частоте волны, с чем связано ухудшение теоретической прозрачности материала световода в двух окрестностях. В итоге образуются три окна в диапазоне длин волн. В рамках этих окон затухание волны имеет наименьшее значение. Сам параметр оптических потерь измеряется в децибелах на километр.

Используемые длины волн

Именно «окна прозрачности» определили длины волн, которые используются в современных оптоволоконных технологиях. Чаще всего это три длины — 850 нм, 1300 нм и 1500 нм. Наиболее качественной и высокоскоростной связью обладают каналы на основе волн длиной 1500 нм. Однако оконечное оборудование, способное работать на данной длине волны значительно дороже и предполагает применение только лазерных источников света. Поэтому зачастую возникает проблема оценки экономической целесообразности применения подобных сетей.
Рабочая длина волны 850 нм наиболее характерна для многомодовых волокон, тогда как одномодовые волокна применяются для волн длиной на 1500 нм.

Материалы предоставлены компаний AESP, известным производителем сетевого и коммуникационного оборудования, разработчиком кабельной системы SygnaMax.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector