Оптоволокно делают из стеклоподобного материала, которое в свою очередь делают из песка и других широко распространенных материалов. Стекло известно со времен египтян. Однако прозрачное оконное стекло научились делать только в эпоху Ренессанса. Если современным стеклом, используемым для оптоволокна заполнить океан, то в любой его точке мы смогли бы видеть дно, как мы видим землю с борта самолета.
Затухание оптического сигнала в стекле зависит от длины волны источника света. На рис.2-18 показана зависимость затухания от длины волны. Затухание измеряется в dB по формуле
,
где Tp – мощность передаваемого сигнала, Rp – мощность полученного сигнала. Из этой формулы следует, что при падении мощности сигнала в два раза затухание будет равно 3dB. На рис.2-18 видно, что затухание меньше всего в инфракрасной части спектра, которую и используют на практике. Видимая часть спектра располагается в области более коротких волн 0.4 – 0.7 микрон (1мкм=10-6 м). Для передачи используются три полосы с длинами волн 0.85, 1,30 и 1.55 мкм. Две последние обладают тем замечательным свойством, что их затухание составляет менее 5% на километр. Длина волны в 0.85 мкм имеет большее затухание, но хороша тем, что лучше соответствует возможностям лазерных источников света. У всех трех полос ширина полосы пропускания от 25 000 до 30 000 ГГц.
Другую проблему при использовании оптоволокна представляет дисперсия: исходный световой импульс по мере распространения теряет начальную форму и размеры. Это явление называется дисперсией. Величина этих искажений также зависит от длины волны. Одно из возможных решений - увеличить расстояние между соседними сигналами. Однако это сократит скорость передачи. К счастью исследования показали, что если придать сигналу некоторую специальную форму, то дисперсионные эффекты почти исчезают и сигнал можно передавать на тысячи километров. Сигналы в этой специальной форме называются силитонами.
Устройство оптоволоконного кабеля показано на рис. 2-19 а). Кабель состоит из сердечника, состоящего из сверх прозрачного оптоволокна. В одномодовом кабеле сердечник имеет толщину 8-10 микрон, в многомодовом около 50 микрон (это примерно толщина человеческого волоса). Сердечник окружен оптическим покрытием: стекловолокном с низким коэффициентом рефракции, сокращающим потери света через границу сердечника. Сверху все покрыто защитным пластиком.
Такой кабель прокладывают и под землей, где он становится нередко добычей экскаваторов и другой землеройной техники, и под водой, где он становится добычей тралов и акул. Соединяют его электрически с помощью специальных коннекторов, механически, прижимая один край к другому, либо сваривая воедино оба конца. Все эти манипуляции приводят в точке соединения к потере от 5 до 20% мощности сигнала.
В качестве источников света используют два вида источников света: светодиод (LED) и полупроводниковый лазер. У них разные свойства, которые показаны на рис. 2-20. С помощью специальных интерферометров эти источники света можно настроить на нужную длину волны. На принимающем конце стоит фотодиод, время срабатывания которого равно 1 нсек, что ограничивает максимальную скорость передачи до 1 Гбит/сек.
Оптоволоконные сети.
С помощью оптоволокна можно строить как LAN, так и сети большего масштаба. Подключение к оптоволоконной сети более сложное чем к Ethernet сети. Чтобы понять как решается проблема построения сети из оптоволокна надо осознать, что сеть типа кольцо представляет из себя цепочку соединений типа точка-точка как на рис. 2-21.
Эти соединения могут быть двух видов: пассивное и активное. У пассивного есть светодиод либо лазер, и фотодиод. Принимая сигнал через фотодиод, это соединение передает электрический сигнал компьютеру или транслирует его дальше с помощью светодиода или лазера. Это абсолютно надежное соединение. Выход из строя любого из компонентов не нарушает связь по кольцу, а лишь блокирует работу отдельного компьютера.
Активное подключение (рис. 2-21 правая часть) содержит промежуточный усилитель электрического сигнала. Фотодиод преобразует оптический сигнал в электрический, электросигнал усиливается, передается компьютеру либо транслируется дальше с помощью лазера или светодиода.
Кроме кольца возможны соединения типа пассивной звезды (рис.2-22). Все линии, по которым оптический сигнал передается от компьютера, заходят в специальное устройство пассивной звезды, сигналы от них воспринимаются по всем линиям, исходящим из этого устройства и передают к надлежащим приемникам.
В заключение будет полезно сравнить возможности медного кабеля и оптоволокна:
Ширина полосы пропускания у оптоволокна несравненно больше, чем у медного кабеля, что позволяет достичь скорости в сотни Гбит/сек на расстояниях в десятки километров. Напомним, что коаксиал дает максимум сотни Мбит/сек примерно на 1 километре. Витая пара дает несколько Мбит/сек на 1 километр и из нее можно выжать до 1Гбит/сек на расстоянии до 100м.
Оптоволокно компактнее и меньше весит. При той же пропускной способности коаксиальный кабель и кабель из витых пар существенно тяжелее оптоволокна. Это существенный фактор, влияющий на стоимость и требования к опорным конструкциям. Например, 1 км 1000 парника весит 8 тонн, а оптоволокно аналогичной пропускной способности – 100 кг.
Затухание сигнала в оптоволокне существенно меньше, чем в коаксиале и витой паре (см. рис. 2-17), и остается постоянным для широкого диапазона частот.
Оптоволокно не восприимчиво к внешним электромагнитным излучениям. Поэтому ему не страшны интерференция, импульсные шумы и взаимные наводки. Оптоволокно не излучает энергию. Поэтому не влияет на работу другого оборудования. Его трудно обнаружить, следовательно найти и повредить.
Чем меньше репитеров, тем дешевле система и меньше источников ошибок. С этой точки зрения оптоволоконные системы достигли большего совершенства. Для этих систем среднее расстояние между репитерами – сотни километров. Для коаксиала или витой пары тот же показатель равен нескольким километрам.
В таблице 2-3 приведены основные характеристики витой пары, коаксиала и оптоволокна.
,