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:

Физика — оптика, передача сигнала по оптоволокну

Опти́ческое волокно́ — нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Содержание

  • 1 Строение оптоволокна
  • 2 Принципы передачи
    • 2.1 Распространение света в оптоволокне
      • 2.1.1 Преломление
      • 2.1.2 Отражение
      • 2.1.3 Принцип распространения
  • 3 Типы оптоволокна
    • 3.1 Одномодовые волокна
    • 3.2 Многомодовые волокна
  • 4 Факторы, ухудшающие пропускание света
    • 4.1 Затухание светового излучения
    • 4.2 Дисперсия
      • 4.2.1 Хроматическая дисперсия
      • 4.2.2 Поляризационная дисперсия
      • 4.2.3 Модальная дисперсия
  • 5 Нелинейные эффекты
    • 5.1 Феномен показателя преломления
      • 5.1.1 Фазовая автомодуляция
      • 5.1.2 Перекрестная фазовая модуляция
      • 5.1.3 Четырёхволновое смешение
    • 5.2 Явление рассеивания
      • 5.2.1 Вынужденное рассеивание Рамана
      • 5.2.2 Вынужденное рассеяние Бриллюэна-Мандельштама
  • 6 Некоторая полезная информация

Строение оптоволокна [ править ]

Оптическое волокно, как правило, имеет круглое сечение и состоит из двух частей — сердцевины и оболочки. Для обеспечения полного внутреннего отражения абсолютный показатель преломления сердцевины несколько выше показателя преломления оболочки. Сердцевина изготавливается из чистого материала (стекла или пластика) и имеет диаметр 9 мкм (для одномодового волокна), 50 или 62,5 мкм (для многомодового волокна). Оболочка имеет диаметр 125 мкм и состоит из материала с легирующими добавками, изменяющими показатель преломления. Например, если показатель преломления оболочки равен 1,474, то показатель преломления сердцевины — 1,479. Луч света, направленный в сердцевину, будет распространяться по ней, многократно отражаясь от оболочки.

Принципы передачи [ править ]

Луч света вводится в волокно под малым углом [math]alpha[/math] . Возможность оптоволокна принять свет в сердцевину (максимальное приемлемое значение угла) определяется его числовой апертурой [math]NA[/math] :

[math] NA =sin alpha_0=sqrt [/math] , где [math]alpha_0[/math] — максимальный угол ввода (то есть, предельный угол между осью и углом полного отражения сердцевины), [math]n_1[/math] — показатель преломления сердцевины и [math]n_2[/math] — показатель преломления оболочки.

Распространение света в оптоволокне [ править ]

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

Полный приемный конус оптического волокна определяется как [math]2alpha_0[/math]

Преломление [ править ]

Явление преломления выражается в изменении угла прохождения луча света через границу двух сред. Если [math]alpha gt alpha_0[/math] , то луч полностью преломляется и выходит из сердцевины.

[math] n_1sin alpha_r = n_2sinalpha_i[/math]

Отражение [ править ]

Отражение является изменением направления светового луча на границе между двумя средами. В этом случае, световой луч возвращается в сердцевину, из которой он произошел.Если [math]alpha lt alpha_0[/math] , то луч отражается и остается в сердцевине.

[math] alpha_r = alpha_i[/math]

Принцип распространения [ править ]

Лучи видимой области спектра входит в оптоволокно под разными углами и идут разными путями. Луч, вошедший в центр сердцевины под малым углом пойдёт прямо и по центру волокна. Луч вошедший под большим углом или около края сердечника пойдёт по ломаной и будет проходить по оптоволокну более медленно. Каждый путь, следуя из данного угла и точки паления даст начало моде. Поскольку моды перемещаются вдоль волокна, каждая из них до некоторой степени ослабляется.

Типы оптоволокна [ править ]

Профиль показателя преломления различных типов оптических волокон:
слева вверху — одномодовое волокно;
слева внизу — многомодовое ступенчатое волокно;
справа — градиентное волокно с параболическим профилем]]

Одномодовые волокна [ править ]

  • Высокая пропускная способность
  • Немного мод одновременно ⇒ уменьшено влияние модальной дисперсии
  • Расстояния до 80 км
  • Дорогое оборудование
  • Поляризационная дисперсия

Многомодовые волокна [ править ]

• Много сигналов по одному световоду

• Более дешевое оборудование

• Не более 1000 метров

• Много мод одновременно – модальная дисперсия

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные. В ступенчатых волокнах показатель преломления от оболочки к сердцевине изменяется скачкообразно. В градиентных волокнах это изменение происходит иначе — показатель преломления сердцевины плавно возрастает от края к центру. Это приводит к явлению рефракции в сердцевине, благодаря чему снижается влияние дисперсии на искажение оптического импульса. Профиль показателя преломления градиентного волокна может быть параболическим, треугольным, ломаным и т. д.

Факторы, ухудшающие пропускание света [ править ]

Затухание светового излучения [ править ]

Затухание определяет величину ослабления оптической мощности лазерного луча в децибелах на км (дБ/км) при прохождении по оптоволокну. Несмотря на высокий уровень технологий, используемых при изготовлении оптоволокна, оптическое волокно не лишено дефектов, приводящих к ослаблению передаваемого сигнала. Основными причинами, вызывающими затухание сигнала в оптоволокне, являются: поглощение и рассеивание, связанные с неоднородностью оптического материала из-за различного рода примесей, а также потери на микроизгибах оптического волокна. Зависимость значения затухания от величины волны (окна прозрачности) показана на ниже.

Читать еще:  Вентиляция в дачном туалете с выгребной ямой: пошаговая инструкция и рекомендации по обустройству

Дисперсия [ править ]

Другой фактор, который искажает сигнал во время передачи — дисперсия, которая уменьшает эффективную пропускную способность передачи. Основные типы дисперсии: модовая дисперсия, хроматическая дисперсия, и поляризационная дисперсия.

Хроматическая дисперсия [ править ]

Волны с разной длиной волны перемещаются с разной скоростью.

Разный показатель преломления для разных длин волн.

Поляризационная дисперсия [ править ]

Волны с разной поляризацией перемещаются с разной скоростью.

Многие кристаллы пропускают свет с разной поляризацией по-разному: разная степень затухания и разная скорость.

Модальная дисперсия [ править ]

Разные моды волны перемещаются с разной скоростью.

Нелинейные эффекты [ править ]

Мощный уровень и маленькая эффективная область волокна, вызывают нелинейные эффекты. С увеличением уровня мощности и числа оптических каналов, нелинейные эффекты могут стать проблемным фактором в системах передачи. Аналоговые эффекты могут быть разделены на две категории

Феномен показателя преломления [ править ]

Явления показателя преломления вызывают фазовую модуляцию.

Фазовая автомодуляция [ править ]

Фазовой автомодуляцией (Self-Phase Modulation — SPM) называется эффект, возникающий при воздействии сигнала на собственную фазу. С высокими силами излучения свет вызывает изменение показателя преломления оптоволокна, известного как эффект Керра. Это явление производит канал из фазы, изменяющейся во времени. Изменяющийся во времени показатель преломления модулирует фаза передаваемой длины волны, расширяя длину волны спектра переданного оптического импульса.

Где L является расстоянием передачи, S — площадь сердечника оптоволокна и P — мощность оптического излучения.

Смещение длины волны из-за SPM уменьшается при положительной хроматической дисперсии. За счёт неё при проектировании сети SPM может быть частично компенсировано.

Перекрестная фазовая модуляция [ править ]

Перекрестная фазовая модуляция (Cross-Phase Modulation — CPM) называется эффект при котором сигнал в одном канале изменяет фазу в другом канале. Подобно SPM, CPM происходит из-за эффекта Керра. Однако, эффекты перекрестной фазовой модуляции возникают только при передаче множества каналов в одном волокне. В CPM, та же самая частота смещена в края сигнала в модулируемом канале как в SPM, спектрально расширяя изначальный импульс.

Четырёхволновое смешение [ править ]

FWM (Four-Wave Mixing) является интерференционным явлением, которое производит паразитные сигналы от трех частот [math](lambda = lambda_1 + lambda_2 — lambda_3)[/math] , то есть происходят, когда три различных канала индуцируют четвертый канал.

Существует много вариантов, при которых каналы могут объединиться, чтобы сформировать новый канал по вышеупомянутой формуле. Кроме того, созданные каналы тоже могут вызывать третий уровень паразитных частот.

Из-за мощных уровней, эффекты FWM производят много фантомных каналов (некоторые из которых перекрывают каналы сигнальные), зависимых от числа сигнальных каналов. Например, система с 4 каналами произведет 24 фантомных канала и с 16 каналами будет произведено 1920 каналов фантомных. FWM один из самых неблагоприятных нелинейных эффектов в системах DWDM.

В системах, использующих оптоволокно со смещённой дисперсией, FWM становится огромной проблемой, работая на длине волны приблизительно 1550 нм или на длине волны с нулевой дисперсией. Различные длины волн, долго перемещаются группой с одинаковой скоростью и в постоянной фазе по длинному промежутку времени и увеличивают эффекты FWM. В стандартном волокне (волокно не со смещённой дисперсией), определенное количество хроматической дисперсии происходит приблизительно на длине волны 1550 нм, приводя к различным длинам волны, с отличающимися групповыми скоростями, уменьшая эффекты FWM. Используя неправильный интервал между каналами также можно достигнуть сокращения эффектов FWM.

Явление рассеивания [ править ]

Явление рассеивания может быть характеризовано как процесс, когда сигнал лазера рассеивается молекулярным колебанием волокна (оптические фотоны) или виртуальным трением.

Вынужденное рассеивание Рамана [ править ]

Вынужденное Рамановское рассеиванием (Stimulated Raman Scattering — SRS) называется эффект, который преобразует энергию сигнала с короткой длиной волны в энергию сигнала с более длинной волной. Взаимодействие волны света с вибрирующими молекулами (оптические фотоны) в пределах кварцевого волокна вызывает SRS, рассеивая свет во всех направлениях. Длина волны разделяется между двумя сигналами интервалом приблизительно 100 нм (13.2 TГц), например, 1550 — 1650 нм отображают максимум эффекта SRS.

Вынужденное рассеяние Бриллюэна-Мандельштама [ править ]

Вынужденным рассеянием Бриллюэна — Мандельштама (Stimulated Brillouin Scattering — SBS) является явление обратного рассеяния, вызывающим потерю мощности. Мощные световые волны вызывают периодические изменения в показателе преломления волокна, которое могут быть описаны как виртуальное трение, перемещающееся как акустическая волна. Сигнал при этом явлении рассеивается обратно. Эффекты SBS происходят при передаче некоторого небольшого количества каналов.

Некоторая полезная информация [ править ]

С момента появления первого персонального компьютера фирмы IBM (1981 г.) скорость передачи данных выросла с 45 Мбит/с (линия T3 по телефонным проводам) до 100 Гбит/с (современная длинная линия), это означает не менее впечатляющий рост в 2000 раз или 16 раз за 10 лет. При этом вероятность ошибки при передаче уменьшилась с 105 на бит почти до нуля. Помимо этого, процессоры начинают приближаться к своим физическим пределам, поэтому теперь на одном кристалле их используется сразу несколько. Существующая ныне оптоволоконная технология, напротив, может развивать скорость передачи данных вплоть до 50 000 Гбит/с (50 Тбит/с), и до достижения ее физического предела нам еще далеко. Сегодняшний практический предел в 100 Гбит/с обусловлен нашей неспособностью быстрее преобразовывать электрические сигналы в оптические и обратно. Для того чтобы достичь более высокой скорости, по одному волокну просто одновременно передаются данные нескольких каналов.

Для двухслойного световода с ядром в 50 μm модальная дисперсия ограничивает частоту до 20 МГц при длине в 1 км. Кроме того, с помощью многослойного световода и специальных материалов можно достигнуть ограничения в 3.5 ГГц для 1 км.

Типичные характеристики (скорости/расстояния) передачи для многомодового оптоволокна — 100 Мбит/с для расстояний до 2 км (100BASE-FX), 1 Гбит/с для расстояний до 220/550 м. (1000BASE-SX), и 10 Гбит/s для расстояний до 300 м. (10GBASE-SR).

Сегодняшние одномодовые волоконные линии могут работать со скоростью 100 Гбит/с на расстоянии до 100 км. В лабораториях были достигнуты и более высокие скорости, правда, на меньших дистанциях.Самый последний результат – 27 Тбит/с на расстояние около 80 км.

Как работает оптоволокно: все подробности простым языком

В момент чтения этого текста терабайты информации проходят по всей планете через стеклянные нити, протянутые всевозможными способами. Это больше напоминает волшебство, но на самом деле это одна из важнейших технологий, изобретенных человечеством.

Она появилась благодаря естествоиспытателям XIX века, которые в теории предположили возможность управления светом. Сама идея была воплощена в жизнь после более детального изучения оптических свойств разных материалов. Что такое оптоволокно, как работает, особенности и производство кабеля – все это темы нашей статьи.

  1. Передача света
  2. Световоды по новой технологии
  3. Производство световолокна
  4. Передача информации со скоростью света
  5. Сложность технологии и ограничения
  6. Задать вопрос автору статьи

Передача света

Через медную витую пару проходит огромное количество электронов. Ток переходит по проводнику, передавая закодированную последовательность импульсов – данные. Сам код состоит из нулей и единиц (двоичный). Оптоволокно отправляет сигналы по аналогичному принципу, хотя в плане физики здесь сложнее.

Лучше обойтись без теории и просто понимать, что аналогично электронам, световые волны также умеют передавать данные. К примеру, когда на аэродромах отказывает связь по радио, используется запасной вариант – сигналы отправляются по прожекторам. Однако, такой способ можно использовать лишь в прямой видимости, а оптоволокно передает свет на тысячи километров и не всегда по прямой.

Изначально ученые пытались передавать свет на долгие расстояния с помощью зеркал. Так, металлические трубы внутри покрывались зеркальным слоем и в них направлялся световой луч. Но цена таких световодов оказалась слишком высокой, а свет рано или поздно терял свои свойства и угасал.

Позже решение было найдено – свет можно запереть, если использовать для его передачи две среды с разными оптическими свойствами. При этом будет достаточно даже небольшого различия.

Световоды по новой технологии

Что такое оптоволокно, вы узнаете, посмотрев следующее видео:

Уже понятно, что для простой передачи света не столь важен выбор материалов. Для физических опытов в школе достаточно иметь под рукой воду и трубку из пластмассы. Тем не менее, для трансляции сигналов на тысячи километров необходимы максимально чистые материалы с практически идеальными оптическими свойствами и с минимальными примесями.

Наиболее подходящим материалом оказался диоксид кремния (кварцевое стекло). Для получения в нем разных коэффициентов преломления света используется хитрость. Так, его центр оставили чистым, а внешние слои насытили германием, позволяющим изменить свойства стекла.

Производство световолокна

Болванка (которая в будущем превратится в провод) спекается из двух подготовленных трубок, вставляемых одна в одну. Существует и другой вариант, когда сердцевина насыщается германием.

Однако, лучше наполнить трубки изнутри газом. Затем достаточно подождать, чтобы германий сам осел на стекло с минимальным слоем. После этого останется разогреть трубку и растянуть на метр. Вдобавок, полость внутри закроется самостоятельно.

У готового стержня будет сердцевина и оболочка с различными оптическими свойствами.

Именно он подходит для будущего оптоволоконного провода. Хотя заготовка с диаметром несколько десятков сантиметров не слишком его напоминает, зато стекло из кварца отлично можно растянуть.

Поэтому готовую болванку поднимают на башню с высотой 10 метров, укрепляют ее и начинают равномерно подогревать, чтобы ее консистенция начала напоминать нугу. Начиная с определенного момента, из болванки под ее весом начнет тянуться тонкая нить. Опускаясь вниз, она застынет и станет достаточно гибкой. Это вызывает удивление, однако, сверхтонкие стекла хорошо сгибаются.

Приготовленное оптоволокно, постоянно опускающееся вниз, спускают в наполненную жидким пластиком емкость. Это позволяет нанести защиту на кварцевую поверхность, затем нить сматывают. Процесс идет до того момента, пока болванка не превратится в одну нить, длиной 100-200 километров.

Уже с такой нити плетутся кабели, которые могут содержать от двух до двухсот стекловолокон. Далее кабель оснащают вставками для упрочнения, экранирующими слоями и оболочкой для защиты.

Передача информации со скоростью света

Для запуска в производство оптоволокна необходимо строить специализированные заводы, специально обучать персонал, не забывая при этом об огромных вложениях. В любом случае, вложения стоят полученной выгоды.

Скорость света – это максимальный предел, позволяющий обмениваться информацией. Медные провода такого предела достигнуть не могут.

Единственным конкурентом оптоволокна можно назвать линию прямого оптического соединения.

В постсоветских странах в основном домашний интернет проводят посредством двужильного кабеля, где толщина жил составляет от одного до двух миллиметров. Максимальная скорость передачи данных составляет 100 Мбит/сек. Ее вполне хватит для нескольких компьютеров, однако, при наличии Smart TV, NAS сервера и других смарт-устройств, будет недостаточно кабеля даже с восемью жилами. При этом у оптоволокна с толщиной 9 микрон пропускная способность в 30 раз выше, а сам оптоволоконный кабель работает на нескольких жилах.

Читать еще:  Лопата-грабли 2 в 1: полезные советы по выбору удачного инвентаря

Еще одно преимущество применения оптоволоконного кабеля – его меньший вес, по сравнению с медными проводами, и габариты. Это удобно при прокладывании магистральных линий.

Благодаря оптическим кабелям, появилась возможность соединить даже целые континенты. Например, в России первая линия была проложена в Москве. Подводным кабелем первым соединили Санкт-Петербург и Аберслунд (Дания).

После этого оптоволокно стали использовать для связи между предприятиями, банками и госучреждениями. Что касается интернета для населения, в городах применяется практика, когда такими линиями провайдеры подключают многоквартирные дома, а уже в квартиры интернет поступает при помощи традиционной витой пары. Тем не менее, некоторые пользователи уже начали переходить на оптику, хотя такая возможность доступна не всем.

Предлагаю к просмотру познавательный документальный фильм про оптоволокно:

Сложность технологии и ограничения

Оптоволокно не только дорого и сложно производить. Львиную долю затрат занимает его обслуживание. Здесь невозможно обойтись стандартной изолентой. Во время монтажа кабелей кварц нужно сращивать с применением специальной технологии, а линии необходимо доукомплектовывать дополнительным оборудованием.

Благодаря разным коэффициентам преломления света, в оболочке и сердцевине теоретически можно получить световод. Однако, пущенный через кварц свет будет постепенно затухать, поскольку свое дело делают примеси в стекле. При этом устранить этот недостаток полностью почти невозможно. Да и нескольких молекул H20 на целый километр провода хватит для появления ошибок в сигнале и понижения максимального расстояния его передачи.

Аналогичная проблема еще появлялась у электриков во время изготовления медных и других проводов. Позже был введен новый термин «дистанция регенерации» – максимальное расстояние, по которому без проблем передается сигнал.

Одна оптоволоконная жила в состоянии держать свет до двух-трех сотен километров. Однако, рано или поздно потребуется дополнительно усиливать и восстанавливать сигнал.

Для стандартных линий связи достаточно установить недорогие усилители. Для оптоволокна необходим монтаж сложного оборудования, для работы которого необходимо использовать редкоземельные металлы и запускать инфракрасные лазеры.

Так, в линию связи нужно врезать участок специального стекловолокна, насыщенного эрбием. Его атомы, благодаря накачиванию светом, будут находиться в возбужденном состоянии. Для поддержания такого состояния и нужен специальный лазер. Когда сигнал проходит через эту область, его мощность увеличивается почти вдвое, так как эрбий излучает свет, аналогичной сигналу, волны. Следовательно, зашифрованная информация сохраняется также. Далее свет может пройти еще 100 километров, где нужно еще раз повторить усиление.

Для поддержания этой системы нужен обслуживающий персонал и беспрерывный присмотр. Поэтому экономический эффект от прокладки оптики для абонентов почти во всех странах мира остается под большим вопросом. Тем не менее, оптоволокно для передачи данных – универсальный вариант.

Именно на данной технологии основан интернет современного уровня, позволяющий передавать видео в высоком разрешении, вести видеостриминг, поддерживать серверы онлайн-игр практически без задержек, предоставлять моментальную связь между любыми городами мира, а также обеспечивать мобильную передачу данных. Ведь станции мобильных операторов соединены между собой тоже стекловолокнами.

Хотя специалисты работают над созданием новых средств коммуникации, более мощная технология появится в обиходе еще нескоро. Да, некоторые решения позволяют увеличить пропускную способность примерно в два раза, а между континентами прокладываются все более толстые жилы из кварца.

Обойти принципиальный предел, связанный с максимальной скоростью света, через кварц, скорее всего, не получится. Можно отказаться от кварца и обеспечить передачу сигнала лазерами. Однако, это можно делать только по прямой линии. Поэтому передатчики потребуется устанавливать только в космосе или хотя бы над орбитой земли.

Как работает оптоволокно

Пока вы читаете эти строки, терабайты данных курсируют по всему миру, запертые в стеклянных нитях, протянутых по дну океана. Напоминает магию, но это всего лишь продвинутая технология. Оптическое волокно — технология, которой, человечество обязано естествоиспытателям XIX века. Наблюдая за лучами света на поверхности пруда, они предположили, что светом можно управлять, но претворить в жизнь ту гениальную идею удалось только совсем недавно с появлением сложнейших заводов и тщательным изучением оптических свойств материалов.

Содержание

Запертый свет

По медной витой паре (как в вашем интернет-кабеле) во множестве движутся электроны. Ток предается по проводнику и несет с собой закодированную в последовательности импульсов — информацию. Нули и единицы — двоичный код, о котором слышали, пожалуй, все. Оптический проводник сигнала работает по тому же принципу, но с точки зрения физики, с ним все гораздо сложнее. Тут могла бы быть получасовая лекция о квантовой механике, и о том, как множество именитых физиков пришли в тупик, пытаясь понять природу света, но постараемся обойтись без пространных рассуждений.

Достаточно держать в уме то, что подобно электронам, фотоны или световые волны (на самом деле в нашем контексте это одно и то же), могут переносить закодированную информацию. Так, например, на аэродромах, в случаях отказа радиосвязи, передают сигналы самолетам при помощи направленных прожекторов. Но то примитивный метод, да и работает он лишь на расстоянии прямой видимости. В то же время, по оптоволокну свет передается на километры и далеко не по прямой траектории.

Чтобы добиться такого эффекта, можно было бы использовать зеркала. Собственно, с этого инженеры-испытатели и начали свои эксперименты. Они покрывали металлические трубы изнутри зеркальным слоем и направляли внутрь луч света. Но мало того, что подобные световоды стоили непомерно дорого. Свет многократно отражался от их стенок и постепенно затухал, терял силу и совершенно сходил на нет.

Зеркала не годились. Иначе и быть не могло. Даже самое дорогое зеркало не идеально. Его коэффициент отражения меньше 100% и после каждого падения на зеркальную поверхность световой луч теряет часть энергии, а в замкнутом объеме световода таких преломлений происходит неисчислимое множество.

Тут-то и пришло время вспомнить о пруде и тех давних исследованиях, что основывались на наблюдении за поведением света в воде. Представьте, как луч закатного солнца падает на поверхность воды, преодолевает границу и направляется вниз, к дну пруда.

Те из читателей, кто помнит школьный курс физики, наверняка уже догадываются, что свет изменит направление своего движения. Часть света пройдет под воду, чуть изменив угол своего движения, а другая незначительная часть света отразится обратно в небо, потому, как «угол падения равен углу отражения». Если долгое время наблюдать за этим явлением, однажды, можно заметить, что свет, отраженный от зеркала под водой, под определенным углом так и не сумеет вырваться наружу — отразится от границы воды и воздуха полностью, лучше, чем от всякого зеркала. Дело не в воде как таковой, а в сочетании двух сред с различными оптическими свойствами — неодинаковыми коэффициентами преломления. Для создания световой ловушки достаточно минимального их различия.

Гибкие световоды

Материалы не столь уж важны. В физических опытах для детей, демонстрирующих этот эффект, часто используют воду и прозрачную пластмассовую трубку. Больше чем на пару метров в таком световоде световой луч не передать, но смотрится это красиво. По той же причине светильники и прочие декоративные изделия часто имеют в своей конструкции световоды из пластмасс. Но когда речь заходит о передаче информации на многие километры, требуются особые, сверхчистые материалы, с минимумом примесей и оптическими свойствами, близкими к идеальным.

В 1934 году американец Норман Р. Френч запатентовал стеклянный световод, который должен был обеспечить телефонную связь, но он толком не работал. Потребовалась масса времени, чтобы найти материал, который бы отвечал высочайшим требованиям к чистоте и прозрачности, изобрести оптическое волокно из диоксида кремния — чистейшего кварцевого стекла. Чтобы создать в прозрачном кремнии разность коэффициентов преломления, прибегают к хитрости. Центр прозрачной болванки, которая превратится в провод, оставляют чистым, в то время, как внешние слои насыщают германием — он изменяет оптические характеристики стекла.

В таком случае, болванку обычно спекают из двух заранее приготовленных стеклянных трубок, вставленных одна в другую. Но можно поступить и наоборот, насытив сердцевину стекловолокна германием. Более технологичным и высококачественным стекловолокно получается, когда стеклянные трубки наполняют изнутри газом и ждут, пока германий сам осядет на стекло тончайшим слоем. Затем трубку разогревают и растягивают до метровой длины. При этом полость внутри закрывается сама.

Получившийся стержень имеет сердцевину с одним коэффициентом преломления и оболочку с другими оптическими параметрами. Он то и послужит для изготовления оптического волокна. Пока тяжелая заготовка толщиной в руку ничем не напоминает провод, но кварцевое стекло хорошо растягивается.

Подготовленную болванку поднимают на высоту десятиметровой башни, закрепляют на вершине и равномерно нагревают до пор, пока по консистенции она не будет напоминать нугу. Тогда из стеклянной болванки под собственным весом начинает тянуться тончайшая нить. По пути вниз она остывает и приобретает гибкость. Это может показаться странным, но сверхтонкое стекло прекрасно гнется.

Готовое оптическое волокно, непрерывно поступающее вниз, окунают в ванну с жидким пластиком, образующим защитный слой на поверхности кварца, а затем сматывают. Так продолжается до тех пор, пока заготовка на вершине башни не будет полностью переработана в единую нить из сотни-другой километров оптического волокна.

Из него, в свою очередь, будут сплетены кабели, содержащие от пары, до пары сотен отдельных стеклянных волокон, упрочняющие вставки, экранирующие слои и защитные оболочки.

  1. Осевой стержень.
  2. Оптическое волокно.
  3. Пластиковая защита оптических волокон.
  4. Пленка с гидрофобным гелем.
  5. Полиэтиленовая оболочка.
  6. Армирование.
  7. Внешняя полиэтиленовая оболочка.

Связь со скоростью света

Описанный процесс сложен, трудозатратен, требует постройки заводов и специального обучения от их персонала, и, тем не менее, игра стоит свеч. Ведь скорость света — это непреодолимый предел, максимальная скорость, с которой информация может распространяться в принципе. Соперничать с оптическим волокном в скорости передачи информации могут, разве что, линии прямой оптической связи, но никак не медные проводники, на какие бы ухищрения не шли их создатели. Сравнения демонстрируют превосходство оптического волокна над остальными средствами передачи информации лучше всего.

Читать еще:  Спортивная площадка на дачном участке

Домашний интернет на постсоветском пространстве, зачастую, проводят по двужильной витой паре с проводниками толщиной в один — два миллиметра. Максимумом для нее, оказывается показатель в 100 мегабит в секунду. Этого достаточно для пары компьютеров, но, когда в квартире оказываются умный телевизор, NAS, раздающий торренты, домашний сервер, несколько смартфонов и умных девайсов из мира интернета вещей, не хватит и восьмижильного провода. Ограничения канала связи становятся очевидны. Как правило, в виде артефактов и заикающихся киногероев на экране телевизора, или лагов в онлайн-играх. Оптоволокно толщиной 9 микрон обладает в 30 раз большей пропускной способностью, не говоря уже о том, что таких жил в проводе может быть несколько.

При этом оно компактнее и весит значительно меньше обычных проводов, что оказывается решающим преимуществом, при прокладке магистральных линий связи и планировании городских коммуникаций.

Оптические кабели соединяют континенты, города и датацентры. В России первая такая линия, появилась в Москве. Первый подводный оптический кабель пролег между Санкт-Петербургом и датским Аберслундом. Затем оптоволокно протянулось между предприятиями, государственными учреждениями и банками. В крупных городах получила распространение схема, при которой оптические линии связи доводят до отдельных многоквартирных домов, и, тем не менее, для рядового потребителя оптическое волокно все еще остается экзотикой. Нам бы было интересно узнать, как много наших читателей использует его дома, потому что, по большинству квартир по-прежнему тянется старая-добрая витая пара.

Оптическое волокно не только дорогое и сложное в производстве. Еще дороже оказывается его квалифицированное обслуживание. Тут не обойтись без синей изоленты. При монтаже волокна кварца необходимо специальным образом сращивать, а линии оптоволоконной связи комплектовать дополнительным оборудованием.

Несмотря на то, что разность коэффициентов преломления в сердцевине и оболочке волокна в теории создает идеальный световод, запущенный по кварцевому проводу свет все равно затухает из-за примесей, содержащихся в стекле. Увы, избавиться от них полностью практически невозможно. Десятка молекул воды на километр оптического волокна уже достаточно, чтобы внести в сигнал ошибки и снизить расстояние, на которое его можно передать.

С подобной проблемой сталкиваются инженеры-электрики и в случае с обычными проводами. Расстояние, на которое можно без проблем отправить сигнал по проводу они называют дистанцией регенерации.

Для стандартного телефонного кабеля она равняется километру, у экранированного кабеля — пяти. Оптоволоконная жила удерживает свет на расстоянии до нескольких сотен километров, но, в конце концов, сигнал все равно приходится усиливать, регенерировать. На классических линиях связи устанавливаются сравнительно дешевые и простые усилители. Для оптоволоконных – требуются сложные и высокотехничные агрегаты в которых используются редкоземельные металлы и инфракрасные лазеры.

В линию связи врезают небольшой участок специально подготовленного стекловолокна. Оно дополнительно насыщенно атомами эрбия, редкоземельного элемента используемого, помимо прочего, в атомной промышленности. Атомы эрбия в этом участке волокна находятся в возбужденном состоянии из-за дополнительной накачки светом. Проще говоря, их подсвечивают специально настроенным лазером. Сигнал, проходящий такую область кабеля, усиливается примерно в два раза, поскольку атомы эрбия в ответ на воздействие излучают свет той же волны, что и входящий сигнал, а значит, сохраняют закодированную в нем информацию. После усилителя оптический сигнал может пройти еще около ста километров, прежде чем процедуру потребуется повторить.

Такие системы требуют обученных специалистов для обслуживания и постоянного присмотра, так что экономическая выгода от прокладки индивидуальных оптических линий для конкретных абонентов остается сомнительной в большинстве стран мира. И все же, все мы используем стекловолокно для передачи сообщений. Весь современный интернет базируется на этой технологии и именно благодаря ей стали возможны интернет трансляции в сверхвысоком разрешении, видеостриминг, онлайн игры с минимальной задержкой, мгновенная связь с практически любой точкой планеты и даже мобильный интернет. Да, базовые станции сотовой связи также связывает стекловолокно.

Несмотря на то, что ученые ищут новые пути построения коммуникационных сетей, мы не получим ничего более практичного еще очень долго. Экспериментальные технологии позволяют поднять информационную емкость стекловолокна в два-три раза, все более толстые многожильные стеклянные кабели ложатся на морское дно между континентами, однако принципиальные ограничения, накладываемые скоростью света, запертого в кварцевой жиле, преодолеть вряд ли удастся. Выходом видится отказ от кварца и связанных с ним ограничений, передача информации с помощью лазеров, но она возможна только по прямой. Следовательно, передатчики придется разместить в космосе или хотя бы в верхних слоях атмосферы. Подобные эксперименты в последние годы привлекли внимание крупнейших корпораций, но это уже совсем другая история.

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

  • Вычислительная техника
    • Микроконтроллеры микропроцессоры
    • ПЛИС
    • Мини-ПК
  • Силовая электроника
  • Датчики
  • Интерфейсы
  • Теория
    • Программирование
    • ТАУ и ЦОС
  • Перспективные технологии
    • 3D печать
    • Робототехника
    • Искусственный интеллект
    • Криптовалюты

Чтение RSS

Как работает волоконно-оптическая связь и почему она используется для высокоскоростной передачи данных

Что такое оптоволоконная связь

Оптоволоконная связь – это метод связи, при котором сигнал передается в виде света, а оптическое волокно используется в качестве среды передачи этого светового сигнала из одного места в другое. Сигнал, передаваемый по оптическому волокну, преобразуется из электрического сигнала в свет, а на приемном конце он преобразуется обратно в электрический сигнал из света. Отправляемые данные могут быть в форме аудио, видео или телеметрических данных, которые должны быть отправлены на большие расстояния или по локальным сетям. Оптоволоконная связь, обеспечивающая хорошие результаты при передаче данных на большие расстояния на высокой скорости, используется в качестве приложения для различных коммуникационных целей.

Как работает оптоволоконная связь

Процесс связи по оптоволокну передает сигнал в виде света, который сначала преобразуется в свет из электрических сигналов и передается, а затем, наоборот, происходит преобразование света в электрические сигналы на приемной стороне. Этот процесс можно объяснить с помощью диаграммы, как показано ниже.

На стороне передатчика, во-первых, если данные являются аналоговыми, они отправляются в схему кодера или преобразователя, которая преобразует аналоговый сигнал в цифровые импульсы 0,1,0,1… (в зависимости от того, какие данные) и передается через схему передатчика источника света. И если вход является цифровым, то он напрямую передается через схему передатчика источника света, которая преобразует сигнал в световые волны.

Световые волны, принимаемые от схемы передатчика к оптоволоконному кабелю, теперь передаются от местоположения источника к месту назначения и принимаются в блоке приемника.

Теперь на стороне приемника фотоэлемент, также известный как детектор света, получает световые волны от оптоволоконного кабеля, усиливает его с помощью усилителя и преобразует его в соответствующий цифровой сигнал. Теперь, если выходной источник является цифровым, тогда сигнал больше не изменяется, а если выходному источнику требуется аналоговый сигнал, тогда цифровые импульсы затем преобразуются обратно в аналоговый сигнал с использованием схемы декодера.

Весь процесс передачи электрического сигнала из одной точки в другую путем преобразования его в свет и использования оптоволоконного кабеля в качестве источника передачи известен как волоконно-оптическая связь.

Почему используется волокно

Волоконно-оптические провода заменили медный провод в качестве кабеля передачи, поскольку они имеют больше преимуществ, чем электрические кабели.

Причины ясно объясняют, что оптоволоконные кабели намного лучше, чем коаксиальные медные кабели, и именно поэтому оптоволоконные кабели предпочтительнее, чем обычные среды передачи.

Почему свет, а не электричество

Свет или лазерный луч (если быть точным) используется для связи по оптоволокну из-за того, что лазерный луч является источником света с одной длиной волны. В то время как другие световые сигналы, такие как солнечный свет или лампа накаливания, имеют много длин волн света, и в результате, если они используются для связи, они будут генерировать луч, который является очень менее мощным, и, с другой стороны, лазер, имеющий единственный луч, даст более мощный луч в качестве выхода.

Таким образом, меньшее рассеивание, передача большего количества сигналов и использование меньшего количества времени делают такой свет хорошим источником связи.

Характеристики волоконно-оптической связи

В оптоволоконной связи свет используется в качестве сигнала, который передается внутри оптоволоконного кабеля. Этот способ общения имеет характеристики, которые важно учитывать, и делает его хорошим способом общения.

  • Полоса пропускания. Единичная дисперсия лазерного излучения означает, что может передаваться хорошее количество сигнала (информация передается в битах) в секунду, что приводит к большой полосе пропускания на большие расстояния.
  • Меньший диаметр. Диаметр волоконно-оптического кабеля составляет около 300 микрометров.
  • Легкий вес. Оптоволоконный кабель имеет меньший вес по сравнению с медным кабелем.
  • Передача сигнала на большие расстояния Поскольку лазерное излучение не рассеивается, его можно легко передавать на большие расстояния.
  • Низкое затухание. Волокно изготовлено из стекла, и через него проходит лазер, передаваемый сигнал имеет потери всего 0,2 дБ/км.
  • Безопасность передачи. Оптическое шифрование и отсутствие электромагнитного сигнала обеспечивают безопасность данных по оптоволокну.

Применение оптического волокна

Оптоволоконная связь в основном применяется в телекоммуникационной отрасли, которая использует оптоволокно для:

  • Передача телефонных сигналов
  • Интернет-общение
  • Кабельное телевидение. Передача сигнала

Кроме того, в настоящее время оптическое волокно используется повсеместно в домах, на предприятиях, в офисах для междугородних и малых коммуникаций.

Влияние оптического волокна на Интернет вещей (IoT)

Связь по оптоволоконному кабелю окажет большое влияние на Интернет вещей, и перечисленные ниже вещи объяснят вам, почему для Интернета вещей может потребоваться оптоволоконная связь.

  • Быстрая передача данных. Будущее будет за IoT, и все наши устройства и другие гаджеты будут подключены к Интернету, что требует хорошей связи и высокой скорости Единственным средством передачи, поддерживающим такое требование, является оптическое волокно. Будущее нуждается в IoT, а IoT – в оптоволокне для лучшей связи, которая может помочь достичь скорости беспроводной передачи данных до 100 Гбит/с, обеспечивая обмен данными и передачу данных большого размера за считанные секунды.
  • Безопасность данных. Безопасность в IoT является основной проблемой, когда мы думаем о большом количестве данных, которые будут переданы между миллиардами устройств, соединенных вместе. Взлом данных с коммуникационных носителей возможен, если это не оптическое волокно. Оптические волокна очень трудно взломать, и взломать их без обнаружения практически невозможно. Опять же, оптическое волокно может помочь защитить данные и передавать их на очень высокой скорости.
  • Отсутствие потери данных из-за помех. Волоконно-оптические кабели могут быть установлены в любом месте (даже под водой или в зонах с высокой температурой) и не имеют электромагнитных помех, что не приводит к потере данных из-за влияния таких помех.

Источники:

http://izmer-ls.ru/w/o02.html

http://neerc.ifmo.ru/wiki/index.php?title=%D0%A4%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0_-_%D0%BE%D0%BF%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0,_%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%B4%D0%B0%D1%87%D0%B0_%D1%81%D0%B8%D0%B3%D0%BD%D0%B0%D0%BB%D0%B0_%D0%BF%D0%BE_%D0%BE%D0%BF%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%BA%D0%BD%D1%83

http://wifigid.ru/poleznoe-i-interesnoe/optovolokno-kak-rabotaet

http://trashbox.ru/link/optic-fiber-how-it-works

http://digitrode.ru/articles/2246-kak-rabotaet-volokonno-opticheskaya-svyaz-i-pochemu-ona-ispolzuetsya-dlya-vysokoskorostnoy-peredachi-dannyh.html

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector