Что может дать оптоволокно?

Световоды

Автор: СЕРГЕЙ БАРИЧЕВ
Дата публикации: 02.02.1998
URL статьи: http://www.computerra.ru/offline/1998/232/1051/for_print.html

Введение

Идея использовать свет для передачи информации стара как мир. Преимущества этого способа были очевидны даже нашим предкам. Еще в Древней Руси цепь сигнальных костров использовали для того, чтобы предупредить о приближении неприятеля. Но прошло несколько веков, прежде чем были открыты фундаментальные законы оптики. И еще не один век понадобился, чтобы, пользуясь этими законами, создать оптоволоконную технологию.

Хотя уже во второй половине девятнадцатого века Джон Тиндалл продемонстрировал возможность направленного распространения света по водяной струе, а в двадцатых годах нашего столетия были созданы первые твердотельные световоды, по которым уже передавали изображение, настоящий скачок оптоволоконная технология получила в 50-60-х годах, когда был изобретен лазер, а технологи научились создавать тонкие, прочные и гибкие стеклянные нити.

Сегодня новейшей технологии передачи информации осталось сделать всего лишь один шаг, чтобы прийти на рабочие места и в домашний быт. Поэтому цель данной статьи в том, чтобы дать читателю преставление о физических принципах, лежащих в основе оптоволоконных технологий, и успехах, достигнутых в этой области.

Что может дать оптоволокно?

Оптоволоконная технология существенно выделяется среди других способов передачи информации рядом преимуществ.

Главным преимуществом является колоссальная пропускная способность оптоволоконных линий связи. Гигабитный Ethernet только появляется, а локальные оптоволоконные сети уже сейчас могут работать на больших скоростях. Следует также учесть, что в традиционных кабельных линиях связи увеличение скорости передачи данных (зависящей от рабочей частоты) приводит к увеличению потерь. Одномодовые оптоволоконные линии свободны от этой досадной закономерности.

Другими, не менее важными достоинствами оптоволоконных линий связи являются:

• устойчивость к электромагнитным воздействиям;
• отсутствие излучения у оптоволоконного кабеля;
• привлекательные массово-габаритные параметры;
• защищенность от несанкционированного доступа.

Все эти преимущества вытекают из физических принципов, на которых построена оптоволоконная технология. В то же время многие проблемы, с которыми сегодня приходится сталкиваться специалистам, также имеют корни в загадочной, но поддающейся исследованию природе света. О ней мы и поговорим.

Азбука

Коротко - о главных законах оптики, лежащих в основе оптоволоконной технологии. Известно, что в разных средах луч света распространяется с разной скоростью: в стекле - быстро, в воздухе - быстрее, в вакууме - быстрее всего. Попадая на границу двух прозрачных сред, луч света частично отражается, частично преломляется. Угол отраженного луча равен углу падающего, а угол преломленного луча зависит от соотношения показателей преломления сред (отметим, что все углы измеряются от нормали к поверхности). Согласно закону Снеллиуса, открытому еще в 17 веке, произведения синуса угла падающего и преломленного луча на соответствующие показатели преломления сред равны.

Поставим теперь условие, чтобы преломленный луч не проникал во вторую среду, а двигался вдоль границы раздела. Так как при этом g=90⁰, то нетрудно вычислить так называемый критический угол:

sin a_кр=n₂/n₁

Эта формула объясняет "эффект полного отражения", на котором основана вся оптоволоконная технология. Эффект состоит в том, что луч, попавший на границу двух сред (первая из которых должна иметь больший показатель преломления, чем вторая), под углом, большим критического, полностью отражается.

Если же луч не просто попадает на границу двух сред, а проходит в цилиндрическом световоде (оптоволокне) между параллельными стенками, то при угле входа больше критического, он "навсегда" останется в световоде.

Таким образом, чтобы передавать информацию с помощью волоконно-оптической линии связи (ВОЛС), она должна иметь очевидную структуру и состоять из:

• передатчика - источника светового сигнала;
• приемника - светочувствительного элемента;
• среды распространения - оптоволокна.

Наибольший интерес вызывает главный элемент ВОЛС - оптическое волокно. Его мы рассмотрим наиболее подробно.