Оптическое волокно

Одним из важнейших продвижений в области сетей за последние несколько десятилетий стало распространенное применение технологий оптоволоконных коммуникаций. Без оптоволоконных кабелей у нас бы не было таких скоростей передачи данных по сети, которые мы имеем сегодня. Также, нам бы не были доступны многие продукты и службы, которые мы имеем сегодня (как, например, YouTube, Hulu и подобные сайты).

Давайте приступим

Оптоволокно работает путем передачи световых сигналов вместо электрических, как те, что передаются по обычным медным проводам. Оптоволоконные кабели делают это, действуя в качестве волновых проводников для световых волн определенной частоты. Это возможно благодаря такому физическому явлению, как преломление. Преломление – это изменение направления волны (в данном случае световой волны) в силу изменения скорости. Одним из примеров тому может служить соломинка в стакане воды; кажется, что соломинка согнута, но на самом деле преломляются световые волны при прохождении из воздушной среды в воду. Оптоволоконные кабели работают практически по такому же принципу за исключением того, что направление световых волн меняется гораздо более значительно таким способом, который позволяет удерживать их в сердечнике оптоволоконного кабеля. Это явление называется полным внутренним отражением и показано на рисунке 1. Как вы видите, луч красного света проходит от одной стенки к другой. Именно так оптоволокно может передавать данные на дальние расстояния, и при этом вовсе необязательно наличие прямой линии зрительного пути.

Увеличить рисунок

Как световые волны меняют свою скорость? Они изменяют скорость по мере прохождения через различные среды. Самая быстрая скорость прохождения света будет в вакууме; это считается скоростью света (примерно 300 миллионов метров в секунду). В атмосфере земли свет движется немного медленнее, а в воде движение света замедляется еще больше. На самом деле разная длина световых волн (или различные цвета света) будет менять скорость в различных диапазонах. Так получается радуга; световые волны подвергаются рефракции при взаимодействии с частицами воды, и различные цвета будут преломляться по-разному, в результате чего свет разбивается на цветовые спектры.

Тот факт, что различные цвета, или длина световых волн преломляется по-разному очень полезен, если вы делаете радугу, однако для оптоволоконных кабелей это плохо. Оптоволоконные кабели производятся с определенной отражательной способностью (этот показатель выражает свойства рефракции) и создаются для использования световых волн одной длины. Эта длина волны представляет инфракрасную часть светового спектра, и здесь используются значения в 850 нанометров (нм), 1300нм (или 1310 нм, подробнее об этом чуть позже) и 1550нм. Однако в силу несовершенства производства канала передачи это весьма малый спектр длины волн по сравнению с желаемым спектром. Даже эти незначительно различающиеся по своей длине волны будут преломляться по-разному в оптоволоконном кабеле. Это явление называется дисперсией, и существует множество методик для расчетов такого нежелательного поведения.

Конечно, некоторые приложения могут быть не столь чувствительны к эффекту дисперсии. Для этого используются многомодовые оптоволокна. Вообще существует два вида оптоволокна. Многомодовое оптоволокно (мulti-mode fibre) представляет собой тип волокна, которое чаще встречается в здании или между зданиями, а одномодовое оптоволокно (single mode fibre) используется для магистральных коммуникационных каналов.

Многомодовое волокно

Многомодовое оптоволокно позволяет световым волнам проходить по различным путям в сердечнике, поскольку такое волокно производится с сердечником большего сечения. Это имеет преимущества, поскольку производство кабеля проще, и такие кабели позволяют использовать недорогие передатчики, например LED, которые не имеют строгой точности, требуемой для одномодовых оптоволоконных кабелей. Передатчики для многомодовых оптоволоконных кабелей обычно работают с длиной волны в 850 нм или 1300 нм. В силу большего сечения сердечника, которому проще собирать больше света, есть высокая степень дисперсии, возникающей в многомодовых оптоволоконных кабелях. Именно поэтому сферы использования таких кабелей ограничены. Многомодовые оптоволоконные кабели в основном встречаются в зданиях или на небольших производственных площадках. Если применять многомодовые оптоволоконные кабели для дальних расстояний, дисперсия будет восприниматься приемником как шум, и поэтому будет значительно снижать производительность.

Еще одной, не столь очевидной проблемой, причиной которой является дисперсия, является более длительное время ожидания, требуемое между световыми импульсами. Поскольку волны разной длины преломляются по-разному, волна каждой длины будет иметь различную общую длину, прошедшую от передатчика к приемнику. Это означает, что приемник будет принимать импульсы, которые больше изначальных импульсов, отправленных передатчиком. Поэтому каждый передатчик должен учитывать ширину импульса, принимаемого ресивером, и оставлять соответствующее время между импульсами для компенсации этого различия.

Еще один тип дисперсии, встречающийся в многомодовых оптоволоконных кабелях называется модовой дисперсией. По сути, в силу того, что световые импульсы могут входить в сердечник под различным углом (из-за большого сечения), может существовать несколько путей, по которым импульсы доходят до ресивера. Из-за наличия этих путей (называемых модами) импульсы, проходящие по этим модам, будут приходить на приемник в разное время. Это будет восприниматься ресивером как шум, который должен компенсироваться. Модовая дисперсия является еще одной причиной, по которой требуется значительно время ожидания между световыми импульсами, что, естественно, будет ограничивать максимальную пропускною способность канала.

Одномодовые оптоволокна

Одномодовые оптоволокна обычно используются для каналов передачи на дальние расстояния. Они имеют сечение сердечника меньших размеров и требуют более точных передатчиков, что, конечно же, будет значительно дороже. Из-за меньшего размера сечения сердечника световые импульсы могут проходить только по одному моду (пути), что устраняет проблему модовой дисперсии. Благодаря такому преимуществу над многомодовыми оптоволоконными кабелями, одномодовые оптоволоконные кабели требуют меньшего времени задержки между импульсами и имеют более высокую пропускную способность.

Одномодовые оптоволоконные кабели обычно работают с длиной волны в 1310 нм или 1550 нм. Почему 1310 нм, а не 1300 нм, как в многомодовых оптоволоконных кабелях? Это всего лишь договоренность, которая, как мне сказали, восходит к тем временам, когда компания AT&T была главенствующей в области технологий оптоволокна.

Хотя одномодовые оптоволоконные кабели не подвержены модовой дисперсии, они подвержены дисперсии, вызываемой различным преломлением волн различной длины. Поскольку одномодовые оптоволокна используются для передачи на дальние расстояния, этот тип дисперсии может представлять собой серьезную проблему. Однако существуют разумные способы преодоления этой дисперсии, но об этом мы поговорим в другой статье.

Использование оптоволокна в качестве сенсоров

Многие люди ошибочно полагают, что оптоволоконные кабели используются только для телекоммуникаций; на самом деле существует множество других сфер применения оптоволоконных кабелей. Хотя телекоммуникации являются очень распространенной, видимой сферой применения таких кабелей, они также часто применяются в качестве сенсоров.

Из-за различных свойств света, которые могут возникать в сердечнике оптоволоконного кабеля, оптоволокно может использоваться для измерения натяжения, температуры или давления. Это осуществляется путем создания оптоволоконных кабелей, которые чувствительны к определенным условиям, таким как температура или натяжение. Это в свою очередь влияет на световые импульсы, проходящие через кабель, а изменения импульса, полученного после прохождения через оптоволокно, затем анализируются для определения значения натяжения, температуры или прочих измеряемых параметров. Это очень выгодно, поскольку через кабели не проходит электричество; в некоторых чувствительных средах это является обязательным условием.