Оптично влакно

от Уикипедия, свободната енциклопедия

Оптични влакна

Оптичното влакно е тънка прозрачна тръбичка (влакно, нишка), обикновено направена от стъкло или пластмаса, използвана за предаване на светлина и светлинни сигнали. Разделът от техниката, който се занимава със свойствата на оптичните влакна, се нарича влакнеста оптика.

Съдържание

1 История
2 Характеристики
3 Предимства на оптичните кабели за комуникация
4 Недостатъци на оптичните кабели за комуникация
5 Други начини на употреба
6 Външни препратки

[редактиране] История

В своя дисертация от 1966 Чарлз Као изчислява, че за да бъдат полезни за предаване на информация на дълги разстояния, стъклените влакна трябва да имат затихване по–ниско от 20 dB на километър. Първото използваемо оптично влакно е било изобретено през 1970 година от изследователите Маурер, Кек, Шулц и Зимар, които работили в американската “Corning Glass Works”. Те произвели влакно със затихване от 17 dB на километър като легирали силикатно стъкло с титан. Затихването на сегашните влакна е 0,3 – 0,5 dB на км, а на съответстващите им медни коаксиални кабели – 40 – 60 dB на км. Първият трансатлантически оптичен кабел, предназначен за телефонна връзка, е влязъл в употреба през 1988.

[редактиране] Характеристики

Оптичните влакна могат да бъдат използвани като алтернатива на медните проводници за телекомуникация, защото са гъвкави и могат да бъдат свързани заедно в кабел. Влакната могат да бъдат направени както от прозрачна пластмаса, така и от стъкло, но в далекосъобщителните мрежи влакната са винаги от стъкло заради по-ниските загуби от поглъщане. Принципът на предаване на светлина по оста на влакното използва ефекта на пълно вътрешно отражение в средата, който се постига с изработването на влакното от ядро и външен слой с различен показател на пречупване на светлината. Това важно свойство на оптичното влакно не позволява преплитането на информация между отделните влакна в един кабел и позволява кабелът да се извива и усуква. Използваната светлина обикновено е с дължина на вълната от инфрачервената област, а светлинните източници са най-често лазерни. За предаване на информация влакната обикновено се използват по двойки, като всяко от влакната носи сигнал само в една посока. Двупосочната комуникация е възможна и само по една нишка, стига да се използват две различни дължини на вълните (цвята) и подходящи съeднители, отклонители и разклонители.

Влакната, използвани в телекомуникацията, са най–често с диаметър 125 µm. Макар и толкова тънко, оптичното влакно може да се разглежда като цилиндричен диелектричен вълновод, в който разпространението на светлината се подчинява на законите за разпространение на електромагнитното излъчване. В частност, интензитетът на светлината има няколко възможни конфигурации или моди. При разпространение само на един мод влакната се наричат едномодови, а на няколко мода - многомодови. Ядрото на едномодовите влакна е с диаметър 9 µm, докато многомодовите ядра са с диаметър 50 µm или 62,5 µm.

Влакната, използвани за преодоляване на големи разстояния, са едномодови, тъй като типичният едномодов оптичен кабел може да поддържа разстояния от 80 до 200 км. Той има много по–добра функционалност в сравнение с многомодовите влакна, където предадената чрез различните моди светлина пристига по различно време и в резултат сигналът се разсейва. Затова повечето многомодови се използавт на максимално разстояние от 300 до 500 метра. Едномодовото оборудване е обикновено по–скъпо от многомодовото.

Поради забележително ниските загуби и отличното поведение при провеждане на светлината, при едномодовите оптични влакна са възможни скорости до 40 гигабита в секунда при реални условия, ако се използва една дължина на вълната. При използване на повече вълни на една и съща нишка, тя може да носи ширина на честотната лента от много терабита в секунда. Съвременните кабели могат да съдържат хилияди нишки, така че успешно да задоволят дори днешните огромни изисквания за пренос на информация от точка до точка.

[редактиране] Предимства на оптичните кабели за комуникация

оптичният кабел е значително по-малък и по-лек от електрическия със същото предназначение. Това означава, че разходите за полагането на оптичния кабел значително се намаляват;
оптичният кабел струва значително по-малко от меден кабел със същия преносен капацитет;
проведени са успешни експерименти, при които по едно влакно с 132 оптични канала са предадени данни с обща скорост 5,28 Тbit/s на разстояние 120 km. Този капацитет е достатъчен, за да поддържа около 60 милиона некомпресирани телефонни разговора (64 Kbit/s за всеки канал). Известно е, че максималният брой телефонни обаждания в даден момент в целия свят е тридесет милиона. Оказва се, че само чрез една двойка оптични влакна може да се поеме върховият телефонен трафик в света. Повечето реализирани на практика оптични системи обаче не се стремят да направят това, тъй като е по-евтино да се ползват множество отделни влакна, отколкото усъвършенствана мултиплексна технология;
липса на електрическа връзка. Очевидно това е много важно предимство. В една електрическа система винаги има опасност от поява на “утечки”, причиняващи сериозни проблеми в компютърните среди. Когато връзката е електрическа, често се налага да се използва изравняване на потенциалите чрез заземяване. Един малко известен проблем е, че винаги има напрежителен потенциал между ‘земя’ в различните участъци на мрежата. Освен това електрическите вериги винаги трябва да бъдат защитени от пренапрежения. Една светкавица може да причини огромни щети дори и при подземни телефонни кабели. Разбира се, оптичните кабели нямат такива проблеми, но трябва да се знае, че често оптичните кабели са укрепват с метални проводници;
липса на електромагнитна интерференция. Тъй като връзката не е електрическа, не може да се създаде електрическа интерференция. Това означава, че в една сграда оптичните кабели могат да се поставят почти навсякъде, където електрическите биха имали проблеми. Съществува много по-голямо разнообразие в избора и начина на окабеляване. Кабелите могат да бъдат поставени в близост до течности или площи под напрежение без да има опасност за хората или оборудването;
разстояния между регенераторите. Тъй като сигналът преминава по комуникационната линия (оптичното влакно и други пасивни възли) той губи от мощността си и нивото на шума се повишава. Традиционният начин за възстановяване на сигнала е използването на регенератори или усилватели. При по-дългите оптични кабели разстоянието между регенераторите обикновено е 40 км. Това е около пет пъти по-голямо разстояние в сравнение с 7-8 km с коаксиални кабели. Броят на необходимите регенератори и заеманият от тях обем е главен фактор при определянето на цената на комуникационната система. Някои нови системи с оптични усилватели покриват разстояния около 120 km;
отворен капацитет. Максималният преносен капацитет, който има теоретично един инсталиран оптичен кабел е много голям. Това означава, че могат да бъдат добавяни нови преносни капацитети към вече съществуващи кабели;
по-добра защита на информацията. Въпреки това, по принцип е възможно оптичния кабел да се подслушва. Но това е много трудно и е сравнително лесно да се открият допълнителните внесени загуби от прикачена апаратура. За да се включи такава подслушвателна апаратура, е необходимо за кратко време да се прекъсне обслужването на мрежата и това от своя страна алармира операционната система за създалата се ситуация. Но съществуват точки на достъп, от където нарушителят може да направи подслушването.

[редактиране] Недостатъци на оптичните кабели за комуникация

По–висока цена на метър.
Необходимост от по–скъпи лазерни предаватели и приемници.
По–трудни за съединяване (сплайстване–става под микроскоп).
Не могат да носят електричество за захранване на усилвателите, компенсиращи затихването по кабела.
Необходимост от скъпо двукратно преобразуване на електричния сигнал в оптичен и обратното, поради това, че всички крайни устройства работят с електрични сигнали.

Почти всички тези недостатъци са преодолени или заобиколени и комуникационните системи сега са немислими без влакнестата оптика. В напредналите държави ползват услуга «оптика до вкъщи», която предоставя на абонатите високоскоростен Интернет, телефонна линия и телевизия.

[редактиране] Други начини на употреба

Влакната могат да бъдат използвани в медицината и други области, където е необходима ярка светлина и няма пряка видимост - в хирургията, при самолетните двигатели. Оптични влакна могат да се използват като сензори за напрежение, температура, налягане и други параметри.
В някои високотехнологични сгради, оптични влакна се използват за да насочат слънчева светлина от покрива до другите части на сградата.
Оптичните влакна могат да бъдат използвани и за декорация, включително за табели, за изкуствени Коледни дръвчета, за осветление
Изключително тънки и гъвкави оптични влакна се използват и при силициевите чипове.