Физическая основа волоконно-оптической связи и ее применение
Волоконно-оптическая связь – это способ передачи данных, при котором в качестве носителя информационного сигнала используется электромагнитное излучение оптического диапазона, а в качестве направляющей системы - волоконно-оптические связи.
В основе волоконно-оптической связи лежит такое явление, как полное внутреннее отражение электромагнитных волн на границе раздела диэлектриков, у которых разные показатели преломления. Оптическое волокно состоит из двух основных элементов: сердцевины, которая является световодом, и оболочки. Показатель преломления сердцевины больше, чем показатель преломления оболочки, из-за чего луч света, который многократно переотражается от стенок оболочки сердцевины, распространяется в сердцевине, не покидая ее.
Показатель преломления – это безразмерная физическая величина, которая характеризует отличие между фазовыми скоростями света в двух различных средах.
К физическими особенностям волоконно-оптической связи относятся:
- Очень высокая несущая частота, которая обуславливает широкополосность оптических сигналов. По оптической линии связи можно передавать информацию со скоростью до 1 терабита в секунду, то есть одновременно 10 миллионов телефонных разговоров и около миллиона видеосигналов. Скорость передачи может быть увеличена благодаря передаче данных одновременно в двух направлениях, потому что световые волны могут распространяться в одном волокне независимо друг от друга. В оптическом волокне также могут распространяться световые сигналы двух разных поляризаций, что способствует удвоению пропускной способности.
- Относительно малое затухание светового сигнала в волокне. У лучших марок волокна затухание составляет 0,22 децибел на километр при длине волны 1,55 микрометра. Данная особенность позволяет сооружать линии связи протяженностью 100 километров без регенерации сигналов.
Волоконно-оптическая связь широко используется во многих областях - от бортовых космических систем до систем передачи данных на значительные расстояния. В повседневной жизни оптическая связь применяется в сфере предоставления телекоммуникационных услуг, в частности, услуг телефонной связи, телевизионного приема, а также высокоскоростном доступе в сеть Интернет. В настоящее время наблюдается тенденция снижения стоимости волоконно-оптической связи, что делает ее более конкурентоспособной.
Технические особенности волоконно-оптической связи
К техническим особенностям волоконно-оптической связи относят:
- Основу кварца, из которого изготавливается оптического волокно составляет двуокись кремния - достаточно распространенное и недорогое по сравнению с медью сырье.
- Диаметр оптического волокна составляет от 1 до 0,2 миллиметров, поэтому оно компактно и легко, что делает его очень перспективным для использования в кабельной техники, авиации и приборостроении.
- Использование особо прочного пластика позволяет заводам-изготовителям производить самонесущие подвесные кабели, которые не содержат металла и гораздо безопаснее в электрическом отношении по сравнению с другими видами. Они могут монтироваться на мачтах уже существующих линий электропередач отдельно или встраиваться в фазовые провода, что способствует экономии средств, необходимых прокладки кабеля через различные преграды (реки, озера и т.п.).
- Оптические системы связи устойчивы по отношению к электромагнитным помехам, а информацию, которая передается по световодам хорошо защищена от несанкционированного доступа. Волоконно-оптическая линия не может быть прослушана посредством неразрушающим методом, каждое воздействие на волокно регистрируется мониторингом целостности линии.
- Одно из самых важных свойств оптического волокна - долговечность. Срок службы волокна превышает 25 лет, это позволяет проложить кабель один раз, и в случае необходимости наращивать его пропускную способность посредством замены передатчиком и приемников на более быстродествующие.
Существует также ряд недостатков оптической связи. Во-первых, для создания линии связи необходимы активные элементы высокой надежности, которые преобразуют электрические сигналы в свет и свет в электрические сигналы. Существует необходимость в оптических соединителях обладающих маленькими оптическими потерями и большим ресурсом на подключение-отключение. Точность при изготовлении данных элементов должна соответствовать длине волны излучения - погрешность доли микрона. Во-вторых, для монтажа оптического волокна нужны дорогое технологическое оборудование: сплайс-касеты, муфты, коннекторы, тестеры и т.п. В-третьих, затраты на восстановление оптического кабеля (при аварии) значительно выше, чем медного.
