Электроника:Цифровая электроника/Цифровая связь/Оптическая передача данных

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Оптическая передача данных[1]

Современной альтернативой отправке (двоичной) цифровой информации с помощью сигналов электрического напряжения является использование оптических (световых) сигналов. Электрические сигналы от цифровых цепей (высокое/низкое напряжение) могут быть преобразованы в дискретные оптические сигналы (свет или отсутствие света) с помощью светодиодов или твердотельных лазеров. Точно так же световые сигналы могут быть преобразованы обратно в электрическую форму с помощью фотодиодов или фототранзисторов для подачи на входы вентильных схем.

Рис. 1. Схема для оптического светового сигнала.
Рис. 1. Схема для оптического светового сигнала.

Передача цифровой информации в оптической форме может осуществляться на открытом воздухе, просто путём наведения лазера на фотоприёмник на удалённом расстоянии, но для луча могут возникать помехи в виде температурно-инверсионных слоёв, пыли, дождя, тумана и других препятствий, а это существенные инженерные проблемы:

Рис. 2. Диаграмма с интерференцией оптических световых сигналов.
Рис. 2. Диаграмма с интерференцией оптических световых сигналов.

Один из способов избежать проблем оптической передачи данных под открытым небом – послать световые импульсы по сверхчистому стеклянному волокну. Стеклянные волокна будут «проводить» луч света так же, как медная проволока проводит электроны, с тем преимуществом, что они полностью избегают всех связанных с ними проблем индуктивности, ёмкости и внешних помех, препятствующих электрическим сигналам. Оптические волокна удерживают световой луч, содержащийся в сердцевине волокна, благодаря явлению, известному как полное внутреннее отражение.

Оптическое волокно состоит из двух слоёв сверхчистого стекла, каждый из которых состоит из стекла с немного другим показателем преломления (способностью «изгибать» свет). С одним типом стекла, концентрически расположенным вокруг центральной стеклянного сердечника, свет, попадающий в сердцевину, не может выйти за пределы волокна, а ограничен перемещением строго внутри сердечника:

Рис. 3. Условное изображение слоёв оптоволоконного кабеля.
Рис. 3. Условное изображение слоёв оптоволоконного кабеля.

Эти слои стекла очень тонкие, внешняя «оболочка» обычно имеет диаметр 125 микрон (1 микрон = 1 миллионная часть метра или 10-6 метра). Эта тонкость придаёт волокну значительную гибкость. Чтобы защитить волокно от физического повреждения, на него обычно наносят тонкое пластиковое покрытие, которое помещают внутрь пластиковой трубки, обёртывают кевларовыми волокнами для прочности (защита от растяжения) и покрывают внешней пластиковой оболочкой, похожей на изоляцию электрических проводов. Подобно электрическим проводам, оптические волокна часто связывают вместе в одной оболочке, образуя единый кабель.

Оптические волокна превосходят по скорости передачи данных медный провод практически во всех отношениях. Они полностью невосприимчивы к электромагнитным помехам и имеют очень высокую пропускную способность. Однако они не лишены и определённых недостатков.

Эффект микроизгиба в волоконной оптике

Одним из недостатков оптического волокна является явление, известное как микроизгиб. Здесь волокно изгибается по слишком маленькому радиусу, в результате чего свет выходит из внутренней сердцевины через оболочку:

Рис. 4. Условное изображение оптоволоконного кабеля с микроизгибом.
Рис. 4. Условное изображение оптоволоконного кабеля с микроизгибом.

Мало того, что микроизгиб приводит к уменьшению мощности сигнала из-за потери света, он также представляет собой уязвимость в плане безопасности, поскольку датчик света, намеренно размещённый снаружи крутого изгиба, может перехватывать цифровые данные, передаваемые по волокну.

Моды в оптоволокне

Ещё одна проблема, характерная для оптического волокна – искажение сигнала из-за множества путей или мод света, расположенных на разных расстояниях по длине волокна. Когда свет излучается источником, фотоны (частицы света) не все движутся по одному и тому же пути. Этот факт совершенно очевиден для любого источника света, не соответствующего прямолинейному лучу, но верен даже для таких устройств, как лазеры.

Одномодовое волокно

Если сердечник волокна сделан достаточно маленьким (около 5 микрон в диаметре), световые моды ограничиваются одним путём по всей длине. Волокно, спроектированное таким образом, чтобы пропускать только одну моду света, известно как одномодовое волокно. Поскольку одномодовое волокно позволяет избежать проблемы растяжения импульсов, возникающей в длинных кабелях, его выбирают для сетей дальней связи (от несколько миль и более). Недостатком, конечно же, является то, что при использовании только одной моды света одномодовые волокна не проводят так много, как многомодовые. На больших расстояниях это усугубляет потребность в «повторителях» для увеличения мощности света.

Многомодовое волокно

Если сердечник оптического волокна достаточно велик в диаметре, он будет поддерживать несколько путей для движения фотонов, каждый из этих путей будет иметь немного разную длину от одного конца волокна до другого.

Рис. 5. Разные моды света, путешествующего по волокну, проходят разный по длине путь.
Рис. 5. Разные моды света, путешествующего по волокну, проходят разный по длине путь.

Растяжение импульса

Световой импульс, излучаемый светодиодом, проходящим более короткий путь через волокно, достигнет детектора раньше, чем световые импульсы, проходящие более длинный путь. Результатом является искажение переднего и заднего фронтов прямоугольной волны, называемое растяжением импульса. Эта проблема усугубляется по мере увеличения общей длины волокна:

Рис. 6. Растяжение импульса в оптическом волокне.
Рис. 6. Растяжение импульса в оптическом волокне.

См.также

Внешние ссылки