Оптическая передача данных

Современной альтернативой отправке (двоичной) цифровой информации с помощью сигналов электрического напряжения является использование оптических (световых) сигналов. Электрические сигналы от цифровых схем (высокое / низкое напряжение) могут быть преобразованы в дискретные оптические сигналы (светятся или не светятся) с помощью светодиодов или твердотельных лазеров. Точно так же световые сигналы можно преобразовать обратно в электрическую форму с помощью фотодиодов или фототранзисторов для ввода во входы схем затвора.

Передача цифровой информации в оптической форме может осуществляться на открытом воздухе, просто направляя лазер на фотодетектор на удаленном расстоянии, но могут возникать помехи лучу в виде слоев инверсии температуры, пыли, дождя, тумана и других препятствий. значительные инженерные проблемы:

Один из способов избежать проблем с оптической передачей данных под открытым небом - посылать световые импульсы по сверхчистому стекловолокну. Стекловолокно будет «проводить» луч света так же, как медный провод проводит электроны, с тем преимуществом, что полностью избегает всех связанных с этим проблем индуктивности, емкости и внешних помех, мешающих электрическим сигналам. Оптические волокна удерживают луч света внутри сердцевины волокна за счет явления, известного как полное внутреннее отражение . .

Оптическое волокно состоит из двух слоев сверхчистого стекла, каждый из которых сделан из стекла с немного разным показателем преломления . или способность сгибаться светлый. С одним типом стекла, концентрически наложенным вокруг центральной стеклянной сердцевины, свет, вводимый в центральную сердцевину, не может выходить за пределы волокна, а ограничивается перемещением внутри сердцевины:

Эти слои стекла очень тонкие, их внешняя «оболочка» обычно 125 микрон (1 микрон =1 миллионная метра, или 10 ^-6 метр) в диаметре. Такая тонкость придает волокну значительную гибкость. Чтобы защитить волокно от физического повреждения, на него обычно наносят тонкое пластиковое покрытие, помещают внутрь пластиковой трубки, оборачивают кевларовыми волокнами для прочности на разрыв и покрывают внешней оболочкой из пластика, аналогичной изоляции электрических проводов. Как и электрические провода, оптические волокна часто объединяются в одной оболочке, образуя единый кабель.

Оптические волокна почти во всех отношениях превосходят медные провода по характеристикам обработки данных. Они полностью невосприимчивы к электромагнитным помехам и имеют очень широкую полосу пропускания. Однако у них есть определенные недостатки.

Эффекты микроизгиба в волоконной оптике

Одним из слабых мест оптического волокна является явление, известное как микроизгиб . . Здесь волокно изгибается вокруг слишком малого радиуса, в результате чего свет выходит из внутренней сердцевины через оболочку:

Микроизгибание не только приводит к снижению мощности сигнала из-за потери света, но также представляет собой слабое место в системе безопасности, поскольку датчик освещенности, намеренно размещенный на внешней стороне крутого изгиба, может перехватывать цифровые данные, передаваемые по оптоволокну.

Режимы в оптоволокне

Другая проблема, присущая только оптическому волокну, - это искажение сигнала из-за множества световых путей или режимов . , имеющие разные расстояния по длине волокна. Когда свет излучается источником, не все фотоны (световые частицы) проходят один и тот же путь. Этот факт явно очевиден для любого источника света, не соответствующего прямому лучу, но верно даже для таких устройств, как лазеры.

Одноместный режим

Если сердцевина волокна сделана достаточно маленькой (около 5 микрон в диаметре), световые моды ограничиваются одним трактом с одной длиной. Волокно, сконструированное таким образом, чтобы пропускать только одну моду света, известно как одномодовое волокно. Поскольку в одномодовом волокне отсутствует проблема растяжения импульсов, возникающая в длинных кабелях, это волокно является предпочтительным для сетей на большие расстояния (несколько миль и более). Недостатком, конечно же, является то, что при использовании только одной моды одномодовые волокна не проводят столько же проводимости, сколько многомодовые волокна. На больших расстояниях это обостряет потребность в «повторителях» для увеличения мощности света.

Многомодовое волокно

Если сердцевина оптического волокна достаточно большого диаметра, она будет поддерживать несколько путей для прохождения фотонов, каждый из которых имеет немного разную длину от одного конца волокна до другого.

Растяжение импульса

Световой импульс, излучаемый светодиодом по более короткому пути через волокно, достигнет детектора раньше, чем световые импульсы, проходящие по более длинному пути. В результате возникает искажение фронтов нарастания и спада прямоугольной волны, называемое растяжением импульса . . Эта проблема усугубляется при увеличении общей длины волокна: