Волоконная оптика. "Волоконная оптика" в книгах

Доброго дня, читатель! Наверняка, каждый слышал о волоконной оптике, многие имели с ней дело в телекоммуникациях, у кого-то даже проведен оптоволоконный кабель в дом. В общем, этот термин на слуху; да и суть вопроса - передача света на расстояние по тонкому волокну - в общем виде понятна. Но я предлагаю немного углубиться в эту технологию, во многом изменившую мир. В этом посте я постараюсь простым и понятным языком объяснить суть волоконной оптики, как это работает - на уровне простого физического понимания, с упрощениями и примерами, без страшных формул. Иными словами, «на пальцах». Если интересно, то добро пожаловать под кат. Осторожно: много текста, наличествуют картинки.

Волею судеб так уж сложилось, что мое образование, а потом и профессиональная деятельность плотно связана с оптическим волокном и лазерами. Некоторое время проработав в телекоме, а потом перейдя в область научной разработки и измерений, имел возможность заметить, что с оптическим волокном на уровне глубокого понимания знакомы далеко не все даже среди технарей-лазерщиков и телекомщиков. Те, кто занимаются телекомом, в большинстве своем воспринимают волокно на уровне «патчкорда» или кабеля. Для них - это коммутационный шнур или абстрактная линия связи. Да, с затуханием, дисперсией, сварками и рефлектограммами, но лишь с поверхностным пониманием физического принципа работы. Безусловно, это вовсе не плохо, просто таковы особенности их работы. Во всяком случае, желание написать научно-популярную статью по самой сути волоконной оптики возникало неоднократно, тем более что образование и опыт позволяют это сделать: все, что написано в этой статье не только «материал из учебников», но еще и мой личный опыт. С одной стороны, хочется подробно остановиться на многих моментах, а с другой — статья получится слишком большого объема. Решено сделать так: эта статья вводно-обзорная. Если у общественности возникнет интерес, последует цикл постов, посвящённых наиболее интересным вопросам в обширной оптоволоконной теме. Надеюсь, будет интересно. Итак, поехали!

Как это работает?

Первая мысль, возникшая в моем, тогда еще детском мозгу, когда я впервые увидел такой световодный светильник , была «Как же это работает!?». В школе нас учили, что свет в однородной среде распространяется прямолинейно. А как согнуть свет? Ответ узнал несколько позже. Все мы слышали об эффекте полного внутреннего отражения, т.н. ПВО. Если свет выходит из более плотной оптической среды (стекло) в менее плотную (воздух), n стекла > n воздуха, то при некотором угле падения свет может не выйти наружу, а отразится обратно. Это все хорошо знакомо нам еще со школьной скамьи. За этим явлением скрываются достаточно толстые уравнения волнового распространения света и объемная теория. Но нам это не нужно сейчас, достаточно знать, что такое есть. ПВО в обычной жизни наблюдал почти каждый. По крайней мере, тот, кто нырял с маской под воду. Из воды мы можем видеть все, что прямо над нами, но на некоторой периферии мы видим зеркальную поверхность воды и не видим то, что над нею - это и есть ПВО.

Теперь представим, что имеем лист стекла в воздухе. Если посветить ему в торец лазерной указкой под небольшим углом к плоскости поверхности, то ее свет, многократно отразившись, выйдет с другой стороны этого стекла - это работает явление ПВО. А теперь возьмем стеклянный стержень - эффект будет тот же. В данном случае свет ограничен не в одной, а уже в двух плоскостях, разумеется, если угол падения света не превышает угла ПВО.

А вот если стеклянный стержень мы заменим прозрачной леской, то и в ней свет будет распространяться, но его уже можно будет «согнуть». Разумеется, до тех пор, пока радиус изгиба достаточно велик. Когда радиус изгиба становится малым, свет будет выходить в этом месте из лески, поскольку угол падения света на поверхность лески будет больше угла ПВО. Заметьте, у лески нет зеркального покрытия, свет держится в ней сам. Примерно так и работают оптические световоды. Свет в них распространяется до тех пор, пока не нарушится закон ПВО и свет не выйдет из световедущей жилы. Оптическое волокно, по своей сути, та же леска в декоративном светильнике, но имеет более сложную структуру.

Вообще, оптических волокон существует огромное количество видов, различающихся формой, размером, материалом, покрытием, свойствами, областями применения и т.д. Обзор и сравнение различных типов волокон - это тема для отдельной огромной статьи. Однако все эти волокна конструктивно объединяет одно: у них есть светонесущая сердцевина (core) с бОльшим показателем преломления и оболочка (cladding) с меньшим показателем преломления. За счет этого достигается эффект ПВО. Что касается размеров волокон, то, в зависимости от конструкции и области применения, они могут быть от 50мкм до 1мм и более в диаметре (имеется в виду само волокно без защитных оболочек). Накладывание различных защитных оболочек увеличивает диаметр волокна в разы. В этой статье я рассмотрю только самые простые и распространенные типы волокон, применяющихся в телекоммуникациях. Если возникнет интерес, поговорим и о других.

Как это делают?

Телекоммуникационные волокна, да и многие другие, в 99.9% случаев изготавливаются из чистого кварцевого стекла. Химическая формула SiO 2 . Оконные стекла изготавливаются из него же, но с примесями, блокирующими УФ излучение: Na 2 C0 3 , К 2 СО 3 , СаС0 3 . На Википедии про диоксид кремния достаточно информации. Да, гибкие оптические волокна действительно сделаны из стекла — некоторые мне так и не поверили. Стереотип о том, что стекло не гнется, а колется и бьется въелся в людские головы прочно.

Хорошо известно, что стекло имеет аморфную структуру, а значит, не имеет фиксированной температуры плавления, как кристаллические вещества. Стекло при нагревании размягчается и становится вязким и из него легко можно вытянуть «нитку». Впрочем, такое волокно, хоть и гнется, весьма хрупкое, поскольку на его поверхности быстро образуются микротрещины, которые и разрушают волокно при возрастании напряжения на их поверхности при изгибе. Свежевытянутое волокно сразу же покрывается полимерной пленкой, защищающей от микротрещин. Но обо всем по порядку.

Опишу «классическую» схему изготовления телекоммуникационных одномодовых волокон с осаждением из газовой фазы. Сначала берется стеклянная труба длиной около метра или чуть более и толщиной несколько сантиметров. Внутри она полая. Ее внутренний диаметр определяет толщину светонесущей сердцевины. Основное отличие такого стекла - очень высокая степень очистки от примесей и OH-групп. Это необходимо для того, чтобы волокно имело максимальную прозрачность. Труба укладывается на станок и начинает вращаться вокруг своей оси, постепенно прогреваясь горелкой с температурой 1200-1500°С. С торца в трубу под давлением вдувается смесь газов O 2 , SiCl 4 , GeCl 4 , и др., предусмотренные технологией.

На поверхности горячей стеклянной трубы-заготовки происходит эпитаксия диоксида германия и SiO 2 . Диоксид германия повышает показатель преломления чистого кварца и практически не оказывает влияния на прозрачность. Нужный профиль показателя преломления сердцевины выращивается из газовой фазы путем регулирования соотношения газов, подаваемых в заготовку.

После наращивания слоя нужной толщины увеличивается температура горелки. Стекло размягчается сильнее и полость сердцевины, через которую продували газ, постепенно схлопывается под действием поверхностной силы натяжения. Выглядит это примерно так:

А так выглядят готовые к вытяжке заготовки:

Получается цельный стеклянный стержень с повышенным показателем преломления внутри - это будущая световедущая сердцевина. Затем стержень устанавливается вертикально и горелка разогревает его нижний конец, размягчая его сильнее. К заготовке подносится затравка, после чего начинается процесс вытягивания. Кто когда-нибудь клеил клеем а-ля «Момент» прекрасно представляет на что это похоже.

Схема башни для вытяжки оптоволокна:

Аппарат по вытяжке волокна занимает 2-3 этажа:

Волоконно-оптический кабель для подводной прокладки:

В такой кабель, разумеется, укладывается не одно волокно, а несколько десятков, а то и сотен. Об укладке таких кабелей, если память мне не изменяет, на Хабре уже когда-то писалось.

Что же касается производителей волокна, то существует их очень много. Гиганты в производстве телекоммуникационных волокон Fujikura и Corning (которые делают Gorilla Glass). Они производят большую часть телекоммуникационных волокон. Так же стоит отметить таких производителей как Draka, Fibercore, Nufern, Samsung, Ceramoptec, OFS, NKT Photonics и другие. Даже в России производятся оптические волокна, например на Питерском предприятии НИТИОМ и др. К сожалению, говорить о серьезном массовом производстве высококачественных дешевых волокон для телекома в России пока не приходится - под натиском дешевой качественной продукции Китайских, Японских, Американских и Европейских производителей наши предприятия не выдерживают конкуренции. То волокно, что производится у нас, в основном, специализированное и узкопрофильное.

А вот оптические кабели, кстати, в России производятся весьма интенсивно. Но о процессе изготовления оптоволоконных кабелей различной конструкции говорить тут не буду, поскольку это тема отдельной статьи. Если будет интересно, раскрою и её.

Зачем все это нужно? Небольшой экскурс в историю

Теперь, наверное, самое интересное. Поговорили о процессе изготовления и немного о физических принципах работы. Ну а сейчас разберемся в том, почему, собственно, волоконная оптика нынче является основой современных телекоммуникаций.

Генерировать траффик мы умеем. Развитие полупроводниковой техники привело к колоссальному росту вычислительной мощности компьютеров. Это не могло не привести к росту и объемов генерируемой информации. Но мало толка от огромных залежей информации, если ее нельзя быстро передать. Как передать большое количество информации на расстояние быстро? Правильно, нужно взять высокоскоростной канал связи. А вот тут человечество в какой-то момент своего технологического развития уткнулось в проблему. К определенному времени пришло осознание, что нет достаточно скоростных каналов связи. А если они теоретически и есть, то непомерно дороги и сложны. Конечно, все это было давно, когда компьютеры были большими. Но уже тогда вопрос расширения каналов возникал все отчетливее. К 60-70м он уже требовал решения, несмотря на то, что объем информации, генерируемый вычислительными машинами был ничтожен по сравнению с тем трафиком , который источали телефонные сети, телевидение и радио. Это сейчас все иначе.

Нам известно, что информацию можно передавать электромагнитными волнами. Они могут распространяться как в воздухе (вакууме), так и по проводам - медным коаксиальным или витым. Вполне очевидно, что какой бы информация ни была - аналоговой или цифровой - скорость ее передачи зависит от частоты электромагнитной волны, несущей эту информацию. Чем выше частота несущей, тем больше может быть скорость передачи информации. Таким образом, вполне очевидно, что для увеличения скорости передачи в любой среде нужно принципиально увеличить частоту несущей. Это важно.

Теперь вспомним курс физики из школы - урок про электромагнитные волны. Представим шкалу частот электромагнитных волн:

Представили? Радиоволны и микроволны - инфракрасный свет - видимый свет - ультрафиолетовый - рентген - гамма излучение. Картинка из учебника по физике. Дальний инфракрасный свет условно граничит с радиодиапазоном, а ближний ИК - это уже оптический диапазон, в который входит и видимый свет. На каких частотах у нас работает радио? Сотни мегагерц. А WiFi , Bluetooth и т.д.? Несколько гигагерц. Можно и дальше увеличить частоту радиосигнала. Но генератор высокой частоты, особенно на большие мощности, необходимые для передачи на большие расстояния - штука нетривиальная и весьма сложная. Полупроводниковая электроника имеет «потолок» рабочих частот. Это уже фундаментальное ограничение - pn-переход просто не может работать быстрее. Самый быстрый полупроводниковый транзистор работает на частоте около 1ТГц при температуре 4.7К. А в 60-е годы о такой частоте и не мечтали. Стало быть, в радиодиапазоне дальше частоту уже не повысить. Нужен новый источник высокочастотных электромагнитных колебаний с гораздо более высокой частотой.

Какие доступные источники достаточно высокочастотных электромагнитных колебаний можно предложить? Если взглянуть на картинку выше, можно увидеть, что дальше по шкале частот от радиоволн идет ИК и видимый свет. Свет генерировать мы можем, кое-как управлять им - тоже. Уже хорошо. В 1960-м году появляется первый в мире лазер. Лазер - это генератор высокочастотных электромагнитных волн с определенной частотой, световых волн. В отличие от лампочки, лазер генерирует очень узкий спектр, почти одну длину волны. Да и излучение у него когерентное. Стало быть, лазер подходит на роль генератора несущей частоты для высокоскоростной передачи данных. Частоты ближнего ИК - сотни ТГц - частота выше традиционных радиоволн на 4-5 порядков. Источник несущей высокочастотной электромагнитной волны появился, возникла и перспектива развития высокоскоростной передачи данных.

Первый газовый лазер показал теоретическую возможность создания когерентного источника электромагнитных волн световой частоты. Появление и развитие других видов лазеров - дело времени, ибо принципы их работы стали широко известны. Но вопрос передачи такого высокочастотного электромагнитного излучения на большие расстояния стал крайне актуален. Свет живет по законам оптики, в отличие от радиоволн, а значит, надо было найти аналог коаксиальным кабелям, только для света.

Уже в 1966 году исследователи Као и Хокам из STC Laboratory представили первые оптические световоды в виде нитей из обыкновенного стекла. Затухание света в них составляло около 1000дБ/км, что делало невозможным передачу какого-либо сигнала на большие расстояния. Такие потери обуславливались наличием большого количества примесей в стекле.

В 1970м появились оптические волокна производства фирмы Corning, имевшие затухание около 20дБ/км. Сейчас такие величины кажутся несовместимыми с передачей данных, однако тогда они казались приемлемыми для организации связи по волокну. Примерно в то же время были изобретены достаточно компактные полупроводниковые лазеры на арсениде галлия. С 1975 по 1980 была реализована первая коммерческая линия связи со скоростью 45Мбит/с., а уже в 1988м был проложен первый трансатлантический оптоволоконный кабель.

Типы волокон

Любые волокна, в т.ч. телекоммуникационные делятся на два типа: одномодовые и многомодовые. Несмотря не огромное разнообразие видов, каждый из них принадлежит либо к одному, либо к другому типу. Чем они отличаются - разберемся. Исторически так сложилось, что первые коммерческие волокна, ввиду несовершенства технологии изготовления, имели достаточно толстую светонесущую сердцевину. В ней могло распространяться несколько световых мод, поэтому они получили название многомодовых. Давайте «на пальцах» поймем, что такое световая мода.

Свет - электромагнитная волна. Свет от лазера - когерентная волна, а значит, она может интерферировать. Интерферировать она может и в световоде, т.е. волокне. Вопреки распространенному мнению, свет от лазера в волокно вводится не в виде абсолютно идеального параллельного узкого пучка, а с некоторой угловой расходимостью. И она не так уж и мала. Да и невозможно сформировать идеальный параллельный луч - всегда есть некоторая расходимость. Представьте, что в волокно ввели такой луч с некоторой расходимостью. Луч, распространяясь в сердцевине, в какой-то момент начнет отражаться от верхней и нижней границы сердцевины и подложки. Отраженные части луча сформируют интерференцию, поскольку они когерентны. Интерференция, как известно, — это чередование светлых и темных полос, дискретная пространственная структура перераспределения интенсивности света. Оказывается, что в ограниченном пространстве, когда его размер сравним с длиной волны света, световой луч, распространяющийся в этом пространстве, распадается на несколько дискретных пространственных структур, которые и называются световыми модами.

Сложно? На самом деле нет. Световая мода - это всего лишь стоячая световая волна, возникшая в поперечном сечении световода. Что такое стоячая волна, думаю, объяснять не нужно. Если у стоячей волны в сечении световода одна пучность, то это первая мода, если 2 - вторая, 3 - третья, и т.д. Моды - это устойчивые дискретные пространственно-энергетические структуры распределения электромагнитного поля световой волны, обусловленные возникновением интерференции на отражениях света от стенок световода. Мода в волокне возникает только в том случае, если свет в волокно был введен под определенным углом. Угол ввода света в волокно, при котором образуется определенная световая мода, называется модовым углом. Свет, введенный не под модовым углом, перекачает свою энергию в ближайшие моды или излучится наружу. Иными словами, свет в световоде может распространяться только под определенными углами - модовыми. При этих углах возникают стоячие волны в сечении волокна.

При уменьшении размеров светонесущей сердцевины можно добиться одномодового режима работы световода. При этом стоячая волна в нем имеет только одну пучность.

В толстых волокнах, размеры сердцевины которых значительно превышают длину волны света, количество мод очень велико. Такие волокна называются обыкновенными световодами, к ним можно с некоторой оговоркой применять законы лучевой оптики. Световоды с относительно малым числом мод, а так же одномодовые принято называть волноводами, а при их расчетах необходимо учитывать волновые свойства света. Оптические волноводы являются аналогами коаксиальных кабелей для света.

Как уже говорилось, исторически первыми были многомодовые волокна. У них есть существенный недостаток, ограничивающий скорость передачи и дальность: межмодовая дисперсия.

Первые многомодовые волноводы, имевшие ступенчатый профиль показателя преломления (рис. а.), имели и значительное временное уширение светового импульса и искажали его форму. На рисунке хорошо виден механизм этого процесса. Световой импульс, введенный в волокно, распадался на дискретные моды, однако, за счет разных углов, каждая мода имела различный оптический путь, а значит и различное время распространения. На практике это приводило к тому, что световой импульс растягивался по времени и мог перекрываться со следующим, идущим за ним. Это означало много ошибок и потерю информации.

В дальнейшем технология позволила изготавливать многомодовые волноводы с градиентным профилем показателя преломления (рис. б.). Это привело к уменьшению межмодовой дисперсии и увеличению скорости передачи, однако принципиально проблему не решало. Значительно увеличить скорость и дальность передачи позволило одномодовое волокно. Если нет посторонних мод, то нет и межмодовой дисперсии, световой импульс не уширяется.

Нынче в ходу оба типа волокна, однако, одномодовое встречается гораздо чаще. По цене оно уже не превосходит многомодовые. Стандартный одномод распространен повсеместно. Современный телекомщик задумывается о типе волокна весьма редко. По умолчанию везде одномодовое. Есть, конечно, еще и специфические типы волокон, применяющиеся в телекоммуникациях: с ненулевой дисперсией, со смещенной ненулевой дисперсией, с отрицательной дисперсией, активные волокна с легирующими присадками и т.д., однако рассматривать их в рамках этой статьи не представляется возможным.

Длина волны, затухание и дисперсия

Уже упоминалось, что первые стеклянные световоды имели затухание около 1000дБ/км, а первые коммерческие волокна - около 20дБ/км. Сейчас затухания гораздо меньше. Но давайте разберемся в этом поглубже. Затухание в волокне зависит не только от чистоты материала и качества изготовления волновода, но и от длины волны света.

UPD: Чуть менее наглядный, но более правильный график затухания (спасибо enclis) выглядит вот так:

На рисунке изображена кривая затухания света в кварцевом волокне. Из графика хорошо видны 3 минимума затухания - окна прозрачности. Исторически первое окно пропускания на 850нм используется до сих пор в многомодовых волокнах для связи на небольшие расстояния. Затухания в нем 3-5дБ/км. Для сравнения: представьте кусок оконного стекла толщиной 1 км. В нем свет затухнет всего лишь в 2 раза. Второе окно прозрачности на 1300-1310нм имеет затухание на уровне 0.3-0.4дБ/км. Третье окно, самое популярное сегодня, с длиной волны 1500-1550нм, имеет затухание около 0.22-0.3дБ/км. Кусок стекла толщиной 10км ослабит свет всего лишь в 2 раза. Свет с длинами волн короче 850нм достаточно активно рассеивается, длиннее 1650нм - уже сильно поглощается стеклом. Пики поглощения между окнами прозрачности обусловлены наличием примеси и OH-группами, колебательные уровни которых хорошо поглощают свет в этих диапазонах. Следует отметить, что эта кривая для современных волокон выглядит еще позитивнее: научились делать волокна с низким содержанием ОН и примесей, поэтому практически отсутствует пик поглощения между 1300 и 1500нм; стала возможна организация многоканальных систем предачи со спектральным уплотнением во всем диапазоне длин волн с 1270 по 1610нм (CWDM системы). На сегодняшний день 850нм обычно используется в многомодовых линиях с дальностью передачи до 3-5км, все остальные длины волн - для одномодовых волокон с передачей на бОльшие расстояния.

Еще одним важным фактором, помимо затухания, ограничивающим дальность и скорость передачи, является хроматическая дисперсия. Нет, это не межмодовая, свойственная многомодовым волокнам. Хроматическая дисперсия на порядки слабее и имеет другую природу, но ее приходится учитывать при расчете протяженных линий связи, особенно со скоростями более 10Гбит/с. Помните, как белый свет в стеклянной призме раскладывается в радугу? Вот это и есть хроматическая дисперсия - зависимость показателя преломления от длины волны. Иными словами, каждая длина волны света имеет свою, отличную от других, скорость распространения. В волоконных линиях связи хроматическая дисперсия приводит к уширению светового импульса по времени. Любой лазер неидеален: он излучает не одну длину волны, а целый спектр волн, пусть и узкий. Т.е. каждый световой импульс, излученный лазером, имеет в своем составе некоторый набор различных длин волн. Каждая из этих волн, распространяясь по волокну, обладает собственной скоростью, отличной от других. Это приводит к тому, что на выходе из волокна импульс расширяется во времени. Конечно, этот эффект гораздо менее заметен, чем межмодовая дисперсия, но результат тот же - уширение импульса и потеря информации, ошибки. Хроматическое уширение импульса зависит от ширины спектра лазера, дальности передачи и коэффициента дисперсии волокна. Стандартное волокно имеет хроматическую дисперсию на уровне 18пс/(нм*км) для длины волны 1550нм. Поскольку в большинстве случаев ВОЛС состоят из стандартного волокна, компенсацию дисперсии приходится производить примерно через каждые 70-90км (справедливо для 10Gbit/s линков, организованных парой трансиверов).

Я не рассматриваю другие виды дисперсии, они гораздо менее критичны для оптоволоконных линий связи, однако интересующиеся могут ознакомиться с ее видами

Немного об усилении, спектральном уплотнении и расчете

Обычно канал связи организовывается по двум волокнам. В понимании телекомщиков в большинстве случаев любой канал связи дуплексный, т.е. идет одновременная передача из узла А в Б и из Б в А. Осуществляется она, обычно, по двум волокнам: из передатчика (Тх) в пункте А в приемник (Rx) узла Б и из Tx Б в Rx А. Свет не является трамваем на рельсах, он нематериален и может распространяться по одному волокну в обе стороны одновременно практически без взаимодействия. Вопрос лишь в том, как на входе и выходе разделить передаваемый и принимаемый сигнал. Способы есть, и их несколько. Вообще, каждое волокно в кабеле имеет огромный потенциал передачи информации, но количество волокон в любом кабеле конечно. Использовать пару волокон для организации одного дуплексного канала, да еще если в нем и невысокая скорость - верх расточительства.

Конечно, можно проложить больше кабелей - сам волоконно-оптический кабель не так уж и дорог - дорого его согласование и прокладка. Экстенсивно расширять пропускную способность и количество каналов путем прокладки новых кабелей - глупость, если у нас по паре волокон работает лишь один канал. Необходимо увеличивать количество каналов в паре волокон (или вообще в одном волокне), чтобы использование кабеля и волокна стало более выгодным. Как можно запихнуть максимальное количество информации в волокно? Для начала, следует агрегировать информационные потоки - электрическими методами. Если вы думаете, что, когда разговариваете с человеком в другой стране или городе по скайпу или смотрите онлайн фильм с удаленного хостинга, вам выделяется отдельная пара волокон на все время сеанса, вы сильно заблуждаетесь. На самом деле ваш траффик делится на пакетики и многократно объединяется с траффиком других пользователей и в виде большущего цифрового контейнера отсылается по волокну. На приемной стороне происходит разборка этого контейнера и ваш маленький пакетик траффика отправляется далее адресату. Агрегация каналов - отличный способ увеличить эффективность использования линии, ведь вместо большого количества «худых» каналов по куче волокон можно передать один «толстых» канал всего лишь по одной паре. Кстати, первым узлом агрегации можно считать ваш домашний WiFi роутер, который собирает в один информационный поток траффик с ваших телефонов, ноутбуков, пк, планшетов и т.д. и отсылает в сторону провайдера.

А вот если у нас уже имеется много агрегированных «толстых» каналов, а свободных волокон всего лишь пара, то приходится организовывать другой тип уплотнения - оптическими методами, или спектральное уплотнение. Суть его заключается в том, что для каждого «толстого» канала выделяется определенная частота (длина волны света, свой лазер) из набора стандартизированных длин волн. Именно эта длина волны модулируется сигналом. Таких несущих модулированных волн набирается несколько, они мультиплексируются в одно волокно и в виде такого набора засылаются по волокну. Удобно и эффективно. Выделяют технологию CWDM (coarse wavelength division multiplexing), позволяющую организовать до 16 каналов по паре волокон или до 8 по одному, и DWDM (dense wavelength division multiplexing), имеющую гораздо больший потенциал в уплотнении. Суть CWDM и DWDM схожа, основная разница лишь в частотном плане. По приведенным ссылкам наличествует отличное описание обеих технологий.

Трансконтинентальные и магистральные каналы связи имеют очень высокую степень агрегированности и спектрального уплотения. Сети уровня городов и областей обычно ограничиваются агрегированностью до 10-40Гбит/с на канал с уплотнением до 10-15 каналов и обходятся обыкновенными трансиверами, но бывают и исключения. А вот сети районов редко выходят за рамки простой технологии CWDM со скоростями до 10Гбит/с на канал. Что касается домов, то разводка по подъезду чаще всего осуществляется уже медным кабелем. В подъездный маршрутизатор входит оптика, а из него по квартирам расходится витая пара.

Какими бы хорошими волокна ни были, затухание, пусть и малое, присутствует. Свет в волокне ослабляется. Пройдя расстояние 80км, свет затухнет приблизительно на 20дБ — в 100 раз, это без учета потерь на соединениях, сварках, неоднородностях, мультиплексорах и т.п. Для организации протяженных линий связи необходимо использовать усилители и регенераторы сигнала. Регенератор производит полное оптоэлектронное преобразование, восстановление формы сигнала и его ресинхронизацию (3R-регенерация) с последующим переизлучением в волокно. Они дороги и весьма сложны. Усилители, в отличие от 3R преобразователей, лишь усиливают сигнал, увеличивая их амплитуду, но они значительно проще и дешевле. Еще одно их преимущество: они усиливают сразу все каналы.

Усилители применяются, главным образом, к DWDM системам. Оптический усилитель - это не обыкновенный радиочастотный операционник на микросхеме, ведь полупроводниковая электроника тут не работает. Оптический усилитель, по сути, — это лазер, не имеющей резонаторной области и работающий «в один проход». Существует несколько разных видов таких усилителей, но наиболее распространенные - EDFA , усилители на волокне, легированном эрбием. Если коротко, то активная среда формируется в сердцевине легированного волокна под действием накачки на 980 или 1490нм. Сигнальное излучение, входящее в активную среду, вызывает вынужденную эмиссию фотонов, которые складываются с сигналом, усиливая его. Принцип лазера. EDFA вносят шум, который ограничивает количество применяемых каскадов усиления и требует учета при расчете и проектировании линий связи с усилением.

Про компенсацию дисперсии я уже упоминал. Дисперсионные искажения сигнала накапливаются, искажая и расширяя сигнальные импульсы. Коррекция дисперсии при проектировании протяженных линий связи выполняется с помощью модулей компенсации дисперсии, DCM (dispersion compensation module). Обычно не считают временное расширение импульса, а говорят, что нужно, например «скомпенсировать 40км волокна». Предварительный расчет ВОЛС сводится к учету всех затуханий по трассе от Tx до Rx и по обратному направлению, учету хроматической дисперсии, учету вносимого усилителями шума. В простейшем случае, если не требуется усиления и компенсации дисперсии, рассчитываются только затухания от Tx до Rx, к ним прибавляется технологический запас в 3-6дБ на «старение» линии и сравнивается с оптическим бюджетом пары трансиверов (приемопередающих модулей), на которых планируется организовывать связь. Если бюджет трансиверов превышает расчетную величину - их можно использовать для организации линии связи. Если расчетная величина больше, то придется подбирать более «мощные» или чувствительные трансиверы или искать альтернативные пути решения вплоть до перехода на усиливаемые длины волн и установки усилителей.

Тема проектирования и расчетов линий связи по оптике очень широка и полна нюансов, ей может быть посвящена не одна статья. Если читателя заинтересуют эти вопросы, я постараюсь ответить на них в будущих публикациях и комментариях.

Я не рассказал подробно о спектральном уплотнении и мультиплексорах, измерительном оборудовании, сварке волокон и изготовлению кабелей, моделированию усилителей, не рассказал об элементной базе и о многом другом, о чем хотел бы поведать. К сожалению, все вместе это не поместится ни в одну статью.

Публикация получилась немного сумбурная и поверхностная. Она носит обзорно-ознакомительный характер, чтобы понять, какие из представленных в ней направлений представляют наибольший интерес для читателей.

Презентация к уроку «Полное внутреннее отражение»

учителя МАОУ лицея №14

Ермаковой Т.В.

2014 год

Волоконная оптика - это раздел оптики, в котором изучаются распространение света и передача информации по световодам.

Это одно из наиболее быстро развивающихся направлений современной лазерной физики.

• Принцип передачи света, используемый в волоконной оптике, был впервые продемонстрирован во времена королевы Виктории (1837-1901 гг.)

• Нариндер Капани (12.10.1926 г) - один из основоположников волоконной оптики

• Развитие современной волоконной технологии началось в 1966 году, когда двое японских ученых Као и Хокэма предложили использовать для передачи светового сигнала длинные стеклянные волокна.

• В 1970 году фирма «Корнинг Гласе» впервые разработала световод, пригодный для передачи светового сигнала.

• Оптическое волокно представляет собой диэлектрический волновод, изготовленный из кварцевого стекла
• Сердцевина – это область в центре волокна, показатель преломления которой больше, чем у оболочки, и в которой распространяется большая часть энергии светового сигнала.
• Оболочка – это область волокна вокруг сердцевины, которая чаще всего изготавливается с постоянным и всегда более низким, чем у сердцевины, показателем преломления. Граница двух областей с более высоким и низким показателями преломления создаёт световодную структуру, удерживающую большую часть света в зоне сердцевины.

• Распространение световых лучей в оптических волокнах

В основе волоконно-оптической связи лежит явление полного внутреннего отражения электромагнитных волн на границе раздела диэлектриков с разными показателями преломления

Световод представляет собой стеклянное волокно цилиндрической формы, покрытое оболочкой из прозрачного материала с меньшим, чем у волокна, показателем преломления. За счет многократного полного отражения свет может быть направлен по любому (прямому или изогнутому) пути. Волокна набираются в жгуты. При этом по каждому из волокон передается какой-нибудь элемент изображения

Распространение луча света в волноводе

Для передачи сигналов применяются два вида волокна: одномодовое SMF и многомодовое MMF.

Первые оптические волокна были многомодовыми, т.е. по ним могло проходить несколько световых волн одновременно.

Одномодовое волокно новейшей технологии имеет настолько малый диаметр сердцевины, что позволяет спрямить путь отдельного луча и намного снизить потери интенсивности сигнала

По одному волокну можно передать одновременно

10 миллионов телефонных разговоров и миллион видеосигналов. Скорость передачи данных может быть увеличена за счет передачи информации сразу в двух направлениях, так как световые волны могут распространяться в одном волокне независимо друг от друга. Кроме того, в оптическом волокне могут распространяться световые сигналы двух разных поляризаций, что позволяет удвоить пропускную способность оптического канала связи.

Методы волоконной оптики используются:

• в медицинских приборах (освещение носоглотки, желудка и т. д.) ;
• в скоростной киносъемке;
• в ядерной физике (регистрация треков ядерных частиц);
• в оптической связи;
• в фототелеграфии и телеметрии (преобразователи кода и шифровальные устройства);
• в вычислительной технике, акустике и т. д.

Одним из важных устройств, в котором применяется волоконная оптика, является волоконно-оптический телефон, используемый для двухсторонней связи.

• Волоконно-оптический канал имеет намного более широкую полосу пропускания, чем металлический кабель. То есть он может нести больше данных.
• Оптико-волоконный кабель менее чувствителен к помехам, чем металлический, и намного тоньше и легче, чем металлический.
• Данные могут передаваться в цифровом виде, а не в аналоговом.
• Важное свойство оптического волокна – долговечность.

• Основной недостаток волоконной оптики в том, что волоконно-оптический кабель является самым дорогим из всех типов кабеля.
• Волоконно-оптический кабель очень хрупкий, поэтому монтаж его очень затруднителен.

Оптоволокно в природе

Исследователи недавно обнаружили в теле глубоководных губок рода Euplectellas высококачественное оптоволокно.

Заключение

Волоконно-оптические системы связи обеспечивают максимальную скорость передачи информации.

Они включают в себя последние достижения оптики, электроники, материаловедения и технологий.

Тенденции развития :

Увеличение информационной емкости линий связи

Увеличение скорости обработки информации

Уменьшение потерь и искажений оптических сигналов

• Агравал Г. Волоконная оптика.- М.: Мир, 2010.
• Гроднев И. И. Оптоэлектронные системы передачи информации. – М.: Знание, 2012
• Ремизов А.Н. Физика: учебник. -М.: Дрофа, 2011

раздел оптики, в котором рассматривается передача света и изображения по Светопроводам и волноводам оптического диапазона, в частности по многожильным световодам и пучкам гибких волокон. В. о. возникла лишь в 50-е гг. 20 в.

В волоконно-оптических деталях световые сигналы передаются по световодам с одной поверхности (торца световода) на другую - выходную как совокупность элементов изображения, каждый из которых передаётся по своей световедущей жиле (рис. ). В волоконных деталях обычно применяют стеклянное волокно, световедущая жила которого (сердцевина) имеет высокий показатель преломления и окружена стеклом - оболочкой с более низким показателем преломления. Вследствие этого на поверхности раздела сердцевины и оболочки лучи претерпевают полное внутреннее отражение и распространяются только по световедущей жиле. Несмотря на множество таких отражений, потери в световодах обусловлены главным образом поглощением света в массе стекла жилы. Коэффициент пропускания световодов в видимой области спектра составляет 30-70% при длине 1 м . Диаметр световедущих жил в деталях различных назначений составляет от нескольких микрон до сантиметра. Распространение света по световодам, диаметр которых велик по сравнению с длиной волны, происходит по законам геометрической оптики (См. Геометрическая оптика), по более тонким же волокнам (порядка длины волны) распространяются лишь отдельные типы волн или их совокупности, что рассматривается в рамках волновой оптики.

Для передачи изображения применяются жёсткие многожильные световоды и жгуты с регулярной укладкой волокон. На входной торец изображение проецируется объективом, а на выходном наблюдается в окуляр. Качество изображения в таких приборах определяется диаметром световедущих жил, их общим числом и совершенством изготовления. Обычно Разрешающая способность таких жгутов составляет 10-50 линий на 1 мм , а в жёстких многожильных световодах и спечённых из них деталях -до 100 линий на 1 мм . Дефекты таких деталей, где бы они ни находились на длине световедущих жил, передаются по жилам на выходной торец и портят изображение. Это затрудняет изготовление высококачественных деталей.

Пластины, вырезанные поперёк из плотно спечённых волокон, служат фронтальными стеклами Кинескопов и переносят изображение на их внешнюю поверхность, что позволяет контактно его фотографировать. При этом до плёнки доходит основная часть света, излучаемого люминофором, а освещённость на ней создаётся в десятки раз большая, чем при съёмке фотоаппаратом с объективом.

Числовая Апертура волоконных деталей обычно лежит в пределах 0,4-1,0. Сужающиеся пучки световодов - фоконы (фокусирующие конусы) - собирают на узком торце световой поток, падающий на широкий торец. При этом на выходе возрастают освещённость и наклон лучей. Повышение концентрации возможно до тех пор, пока числовая апертура конуса лучей на выходе не достигает числовой апертуры световода. Дальнейшее уменьшение диаметра выходного торца приводит к выходу части лучей из боковой поверхности световода или же возвращению их к широкому торцу.

В. о. применяют почти во всех отраслях научных исследований. Выпускают сотни типов оптических и электронно-оптических приборов с такими деталями. Жёсткие прямые или заранее изогнутые одножильные световоды и жгуты из волокон диаметром 15-50 мкм применяют в медицинских приборах холодного света для освещения носоглотки, желудка и т.д. В таких приборах свет от электрической лампы собирается конденсором на входном торце световода или жгута и по нему подаётся в освещаемую полость; это позволяет удалить от неё лампу - источник нагревания. Световоды с заданным переплетением применимы в скоростной киносъёмке, для регистрации треков ядерных частиц, как преобразователи сканирования в фототелеграфии и телевизионной измерительной технике, как преобразователи кода и как шифровальные устройства. Созданы активные (лазерные) волокна, работающие как квантовые усилители (См. Квантовый усилитель) и квантовые генераторы (См. Квантовый генератор) света, предназначенные для быстродействующих вычислительных машин и выполнения функций логических элементов (См. Логический элемент), ячеек памяти (См. Ячейка памяти) и др. Волокна, закреплённые одним концом (подобно косой щётке), - септроны - позволяют анализировать спектры звуковых частот, выделять голоса из шума толпы, создавать устройства, управляющие машинами от голосовых сигналов, и т.д.

Волоконные детали изготовляются из особо чистых материалов. Из расплавов подходящих марок стекол вытягиваются световод и волокно. Предложен новый оптический материал - кристалловолокно, выращиваемое из расплава. В нём световодами являются нитевидные кристаллы, а прослойками - добавки, вводимые в расплав.

Лит.: Капани Н. С., Волоконная оптика, пер. с англ., М., 1969; Вейнберг В. Б. и Саттаров Д. К., Оптика световодов, М., 1969.

В. Б. Вейнберг.

• -  ...

  Физическая энциклопедия

• - раздел физики, изучающий закономерности световых явлений, природу света и его взаимодействия с веществом...

  Астрономический словарь

• - раздел физики, в котором исследуются свойства света, его распространение в различных средах и взаимодействие с веществом...

  Словарь военных терминов

• - отрасль оптики, занимающаяся передачей данных и изображений с помощью тонких оптических стекловолокон, способных пропускать внутри себя...

  Научно-технический энциклопедический словарь

• - Fiber metallurgy - ...

  Словарь металлургических терминов

• - технология передачи света по тонким нитям из прозрачных материалов. Этот свет используется для передачи электронных сигналов на большие расстояния...

  Энциклопедия Кольера

• - раздел оптики, в к-ром изучаются распространение света и передача информации по световодам. Методы В. о. используются в оптич...
• - раздел физики, в к-ром исследуются процессы излучения света, его распространение в разл. средах и взаимодействие света с в-вом. О. изучает широкую область спектра эл.-маш. волн, примыкающую к видимому свету:...

  Естествознание. Энциклопедический словарь

• - использование волокон для передачи световых изображений...

  Медицинские термины

• - раздел оптики, в к-ром рассматриваются явления, возникающие в волоконных световодах при распространении в них оптич. излучения...

  Большой энциклопедический политехнический словарь

• - I. Содержание этой науки. - О. представляет собой отдел физики, в котором рассматриваются световые явления...

  Энциклопедический словарь Брокгауза и Евфрона

• - раздел оптики, в котором рассматривается передача света и изображения по Светопроводам и волноводам оптического диапазона, в частности по многожильным световодам и пучкам гибких волокон...
• - раздел физики, в котором изучаются природа оптического излучения, его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества...

  Большая Советская энциклопедия

• - раздел физики, в котором исследуются процессы излучения света, распространения его в различных средах и взаимодействия его с веществом...

  Современная энциклопедия

• - раздел оптики, в котором изучаются распространение света и передача информации по световодам...
• - раздел физики, в котором исследуются процессы излучения света, его распространение в различных средах и взаимодействие света c веществом...

  Большой энциклопедический словарь

"Волоконная оптика" в книгах

Оптика Леонардо