Волоконная оптика

Введение

Одним из величайших достижений в области сетевых технологий за последние пару десятилетий стало широкое внедрение технологий оптоволоконной связи. Без оптоволоконных кабелей у нас не было бы сегодняшних скоростей сети. Точно так же у нас не было бы многих продуктов и услуг, которые доступны нам сегодня (таких как YouTube, Hulu и подобные сайты).

Давайте начнем

Волоконная оптика работает, передавая световые сигналы, а не электрические сигналы, как в традиционном медном проводе. Волоконно-оптические кабели делают это, действуя как волновод для световых волн определенной частоты. Это возможно благодаря научному принципу преломления. Преломление — это изменение направления волны (в данном случае световой волны) из-за изменения скорости. Одним из примеров этого является соломинка в стакане воды; будет казаться, что соломинка искривлена, но на самом деле искривляются только световые волны, когда они переходят из воздуха в воду. Волоконно-оптические кабели работают почти так же, за исключением того, что направление световой волны изменяется более резко, таким образом, что световая волна остается внутри сердцевины оптоволоконного кабеля. Это называется полным внутренним отражением и показано на рисунке 1. Как вы можете видеть, луч красного света движется из стороны в сторону, когда он проходит от одного конца к другому. Именно так оптоволокно может передавать данные на большие расстояния, не ограничиваясь прямой видимостью.

Рисунок 1: Полное внутреннее отражение, любезно предоставлено www.wikipedia.com

Как световые волны меняют свою скорость? Они делают это, путешествуя по разным средам. Свет распространяется быстрее всего в вакууме; это считается скоростью света (около 300 миллионов метров в секунду). В земной атмосфере свет распространяется немного медленнее, а в воде свет распространяется еще медленнее. Фактически, разные длины световых волн (что то же самое, что говорить о разных цветах света) будут изменять свою скорость с разной скоростью. Вот как создаются радуги; световые волны будут преломляться при контакте с каплями воды, а разные цвета будут преломляться в разной степени, что приведет к разделению цветов.

Тот факт, что разные цвета или длины волн света преломляются по-разному, хорош, если вы хотите создать радугу; а вот в оптоволоконных кабелях это плохо. Волоконно-оптические кабели изготавливаются с определенным показателем преломления (число, которое указывает на свойства преломления) и предназначены для использования с одной длиной волны света. Эти длины волн относятся к инфракрасному спектру, и используются следующие значения: 850 нанометров (нм), 1300 нм (или 1310 нм, подробнее об этом позже) и 1550 нм. Однако из-за несовершенства изготовления передатчика на самом деле это небольшой спектр длин волн вокруг желаемой длины волны. Даже эти очень небольшие различия в длинах волн будут по-разному преломляться внутри оптоволоконного кабеля. Это называется дисперсией, и существует множество методов противодействия этому нежелательному поведению.

Конечно, некоторые приложения могут быть не столь чувствительны к этим эффектам дисперсии. Для этого и предназначено многомодовое волокно. Есть в основном два типа волокон. Многомодовое волокно — это тип волокна, которое можно увидеть внутри здания или между несколькими зданиями, в то время как одномодовое волокно используется для связи на большие расстояния.

Многомодовое волокно

Многомодовое волокно позволяет световым волнам проходить по разным путям внутри сердцевины, поскольку оно изготавливается с сердцевиной большего размера. Это выгодно, потому что проще изготовить настоящий кабель и позволяет использовать более недорогие передатчики, такие как светодиоды, которые не способны обеспечить исключительную точность, необходимую для одиночных волоконно-оптических кабелей. Передатчики для многомодовых оптоволоконных кабелей обычно работают на длине волны 850 или 1300 нм. Из-за большей сердцевины, которая может легче собирать больше света, в многомодовых оптоволоконных кабелях наблюдается высокая степень дисперсии. Вот почему существует ограниченный диапазон, для которого можно использовать многомодовые волокна. Многомодовые волоконно-оптические кабели обычно можно увидеть внутри здания или небольшого комплекса зданий. Если для больших расстояний используется многомодовый оптоволоконный кабель, дисперсия будет восприниматься приемником как шум и значительно снизит производительность.

Другая, не столь очевидная проблема, вызванная этой дисперсией, — это более длительное время ожидания между импульсами. Поскольку разные длины волн преломляются по-разному, каждая длина волны будет иметь разную общую длину, пройденную от передатчика до приемника. Это означает, что приемник получит импульс, который шире, чем импульс, первоначально отправленный передатчиком. Таким образом, любой передатчик должен учитывать, какая ширина импульса будет у приемника, и оставлять соответствующий промежуток между импульсами, чтобы компенсировать это.

Другой тип дисперсии, наблюдаемый в многомодовых оптоволоконных кабелях, называется модовой дисперсией. По сути, поскольку световые импульсы могут входить в ядро под разными углами (из-за большего размера ядра), могут существовать различные пути, по которым импульс может пройти к приемнику. Из-за этих разных путей (называемых модами) импульсы, проходящие по этим модам, не будут достигать приемника в одно и то же время. Это будет воспринято приемником как шум и должно быть компенсировано. Модовая дисперсия является еще одной причиной, по которой должно быть значительное время ожидания между импульсами, что, конечно же, ограничивает общую достижимую полосу пропускания.

Одномодовое волокно

Одномодовые волокна обычно используются в дальней связи. Одномодовые волокна имеют меньшую сердцевину и требуют гораздо более точного передатчика, который, конечно, значительно дороже. Из-за этой меньшей сердцевины световой импульс может распространяться только по одной моде, что устраняет проблему модовой дисперсии. Благодаря этому усовершенствованию по сравнению с многомодовыми оптоволоконными кабелями одномодовые оптоволоконные кабели требуют меньшего времени ожидания между импульсами и способны передавать гораздо более широкие полосы пропускания.

Одномодовые оптоволоконные кабели обычно работают с длиной волны света 1310 нм или 1550 нм. Почему 1310 нм, а не 1300 нм, как в многомодовых оптоволоконных кабелях? Ну, это всего лишь условность, которая, как мне сказали, восходит к тем дням, когда AT&T была королем оптоволокна.

В то время как одномодовые оптоволоконные кабели не страдают от модовой дисперсии, они страдают от дисперсии, вызванной различными длинами волн, преломляющими по-разному. Поскольку одномодовое волокно используется для связи на большие расстояния, этот тип дисперсии может быть серьезной проблемой. Есть несколько очень умных способов преодолеть эту дисперсию, но их лучше оставить для другой статьи.

Использование оптоволокна в качестве датчиков

Большинство людей ошибочно полагают, что оптоволоконные кабели используются только в телекоммуникационных целях; на самом деле есть много других применений оптоволоконных кабелей. В то время как телекоммуникации являются очень распространенным, видимым использованием волоконной оптики, их также очень часто используют в качестве датчиков.

Из-за различных свойств света, которые также проявляются в оптоволоконном кабеле, оптоволокно можно использовать для измерения деформации, температуры или давления. Это может произойти, если разработать оптоволоконный кабель, чувствительный к определенному элементу, такому как температура или деформация. Затем это повлияет на световой импульс, отправленный по оптоволоконному кабелю. Импульс изменения, полученный после прохождения через волокно, можно затем проанализировать, чтобы определить величину деформации, температуру или что-то еще, что измеряется. Это может быть выгодно из-за того, что по кабелю не проходит электричество; в некоторых чувствительных средах это необходимо.