Оптоволокно
Волоконнооптические линии одно из наиболее интенсивно развиваемых направлений. Если сравнить темпы развития трех основных движущих сил средств передачи и обработки данных: многопроцессорную технику, средства телекоммуникаций и инженерию программного обеспечения, то мы увидим, что многопроцессоры удваивают свою производительность каждые 18 месяцев, пропускная способность каналов связи вырастает на 75% в год. По прогнозам специалистов к 2011 году кремниевая технология исчерпает свои потенциальные возможности по дальнейшему увеличению производительности. На горизонте развития оптоволоконных линий связи, которые уже сейчас имеют пропускную способность в 50000 Гбит/сек, пока подобных проблем не видно. Поэтому можно сказать, что эту гонку скоростей пока выигрывают линии связи. И главную роль здесь конечно играют волоконнооптические кабели. Этот факт также говорит о том, что существующие компьютеры безнадежно медленные и в сетях надо везде где можно избегать вычислений с их помощью.
Для использования оптической связи нужен источник света, светопроводящая среда, детектор, преобразующий световой поток в электрический. На одном передающем конце волоконнооптической линии находится источник света, световой импульс от этого источника проходит по тонкому светопроводящему волокну и попадает на детектор, который преобразует этот импульс в электрический.
Одна из основных проблем создания оптоволоконных систем состояла в том, чтобы не дать световому пучку рассеяться через боковую поверхность силиконового шнура. Количество рассеиваемой энергии зависело от угла падения светового луча на стенки шнура. При углах больше некоторого критического угла, называемого углом полного внутреннего отражения вся энергия луча отражается обратно внутрь.
Если сделать силиконовый шнур толщиной близкой к длине волны источника света, то этот шнур будет работать, как провод для тока, без потерь на внутреннее отражение. По такому одномодовому шнуру можно передавать со скоростью в несколько Гбит/сек на сотню километров без промежуточного усиления.
Поскольку можно испускать несколько лучей так, чтобы они попадали на границы шнура под углом большим угла полного внутреннего отражения, то по одному шнуру можно пускать несколько лучей. Каждый луч, как говорят, имеет свою моду. Так мы получаем многомодовый шнур.
Прохождение света через оптоволокно.
Оптоволокно делают из стеклоподобного материала, которое в свою очередь делают из песка и других широко распространенных материалов. Стекло известно со времен египтян. Однако прозрачное оконное стекло научились делать только в эпоху Ренессанса. Если современным стеклом, используемым для оптоволокна заполнить океан, то в любой его точке мы смогли бы видеть дно, как мы видим землю с борта самолета.
Затухание оптического сигнала в стекле зависит от длины волны источника света. Затухание измеряется в dB по формуле
,
где Tp – мощность передаваемого сигнала, Rp – мощность полученного сигнала. Из этой формулы следует, что при падении мощности сигнала в два раза затухание будет равно 3dB. На рис.2-18 видно, что затухание меньше всего в инфракрасной части спектра, которую и используют на практике. Видимая часть спектра располагается в области более коротких волн 0.4 – 0.7 микрон (1мкм=10-6 м). Для передачи используются три полосы с длинами волн 0.85, 1,30 и 1.55 мкм. Две последние обладают тем замечательным свойством, что их затухание составляет менее 5% на километр. Длина волны в 0.85 мкм имеет большее затухание, но хороша тем, что лучше соответствует возможностям лазерных источников света. У всех трех полос ширина полосы пропускания от 25 000 до 30 000 ГГц.
Другую проблему при использовании оптоволокна представляет дисперсия: исходный световой импульс по мере распространения теряет начальную форму и размеры. Это явление называется дисперсией. Величина этих искажений также зависит от длины волны. Одно из возможных решений - увеличить расстояние между соседними сигналами. Однако это сократит скорость передачи. К счастью исследования показали, что если придать сигналу некоторую специальную форму, то дисперсионные эффекты почти исчезают и сигнал можно передавать на тысячи километров. Сигналы в этой специальной форме называются силитонами.
Оптоволоконный кабель.
Кабель состоит из сердечника, состоящего из сверх прозрачного оптоволокна. В одномодовом кабеле сердечник имеет толщину 8-10 микрон, в многомодовом около 50 микрон (это примерно толщина человеческого волоса). Сердечник окружен оптическим покрытием: стекловолокном с низким коэффициентом рефракции, сокращающим потери света через границу сердечника. Сверху все покрыто защитным пластиком.
Такой кабель прокладывают и под землей, где он становится нередко добычей экскаваторов и другой землеройной техники, и под водой, где он становится добычей тралов и акул. Соединяют его электрически с помощью специальных коннекторов, механически, прижимая один край к другому, либо сваривая воедино оба конца. Все эти манипуляции приводят в точке соединения к потере от 5 до 20% мощности сигнала.
В качестве источников света используют два вида источников света: светодиод (LED) и полупроводниковый лазер. С помощью специальных интерферометров эти источники света можно настроить на нужную длину волны. На принимающем конце стоит фотодиод, время срабатывания которого равно 1 нсек, что ограничивает максимальную скорость передачи до 1 Гбит/сек.