Основы волоконной оптики

Перед тем как углубиться в локальные сети, давайте изучим основные моменты оптоволоконных технологий. Нам необходимо понять, каким образом происходит оптическая передача и каковы ее основные термины и параметры.

Передача оптического сигнала по волокнам

Феномен передачи света по оптическим волокнам берет свое начало в оптических принципах преломления и отражения. Как вы знаете, луч света преломляется, когда переходит из одной среды в другую. Наиболее известным примером тому служит переход луча из воздуха в воду.

Изменение направления луча света при его переходе из одной среды в другую называется преломлением или рефракцией. Материалы, пропускающие свет, имеют свойство, называемое показателем преломления, который пропорционален величине изменения направления, происходящею при переходе света из данного материала в вакуум. И воздух, и вода имеют собственные показатели преломления, которые ведут к возникновению такой ситуации.

Конечно, данный пример с преломлением света на границе воздуха и воды является тривиальным (если только вы не занимаетесь рыбалкой с острогой), но данный принцип используется при создании линз, которые используются для коррекции зрения, а также могут быть использованы для фокусировки света. Как видно на рис. 80, путь луча света изменяется на границе между двумя пропускающими свет материалами. Угол преломления определяется показателем преломления.

Однако за пределами определенного угла падения, который называется критическим углом, луч света отражается от поверхности, а не преломляется и переходит в следующий материал. Именно по этой причине монетка в воде исчезает, когда вы стараетесь увидеть ее с более острого угла к поверхности воды. Кстати, угол отражения зависит от длины волны (цвета) света. По этому принципу работают призмы и появляется радуга. Данное явление на самом деле вызывает множество проблем в многомодовом кабеле, что будет описано далее.

Рис. 80 Преломление и отражение света на поверхности

Многие годы мы фокусировали внимание на различных углах падения, которые были необходимы для преломления света и его передачи из одной среды в другую. Это было полезно при создании очков, биноклей, телескопов, микроскопов. Однако если среда передачи является сплошной нитью стекла или пластика, то мы можем использовать принципы отражения и преломления для того, чтобы удерживать лучи света в нити по всей ее длине.

При соблюдении требований к конструкции волокна из стекла и пластика могут эффективно передавать свет на большие расстояния по всей своей длине с очень незначительными потерями света за пределами волокна. Возможно, вы знакомы с декоративными лампами, которые созданы из сотен коротких пластиковых волокон. Волоконные нити светят очень слабо по всей длине, когда источник света подсвечивает концы нити, помещенные на основание лампы, но противоположные концы светят очень ярко. Подобные волокна используются для передачи света по каналам в локальных сетях. Мы просто промодулируем луч света (изменим его параметры) для того, чтобы он передавал данные.

Оптоволокно может быть либо из стекла, либо из пластика, но в большинстве последующих описаний мы будем считать, что оно сделано из стекла, так как данный компонент используется в большинстве локальных сетей.

Данные кремниевые волокна иногда называются световодами, так как все выглядит так, словно свет проходит сквозь гибкие волокна, прямо как вода течет по трубам. Оптоволокно представляет собой не совсем трубку для прохода света, как было сказано ранее. Свет проходит сквозь стекло, а не через трубку, сделанную из стекла. Преломляющие свойства стекла используются для направления света через центральную часть волокна (рис. 81). В зависимости от типа сердцевины волокна падающий свет отражается или преломляется по всей длине волокна, оставаясь в центральной части его сердцевины, прямо как вода, текущая по трубе (отсюда и аналогия). Соответствующий источник света используется для передачи коммуникационного сигнала через оптоволокно.

Вот каким образом происходит передача данных по волокну. Электрический сигнал с данными, например пакетом локальной сети, поступает на источник света, который преобразует сигнал в свет. Луч света из источника затем направляется на один из концов волокна, которое передает его через все волокно на другую строну. На дальнем конце волокна светочувствительный прибор выделяет свет из волокна и преобразует его обратно в электрический сигнал.

Прибор, который создает свет, называется источником, а прибор, который получает свет, называется детектором. Светоизлучающие диоды (LED) лазерные диоды являются примерами полупроводниковых источников света, которые используются в оптоволоконных линиях связи. Фотодиоды и фототранзисторы представляют собой образцы оптоволоконных детекторов.

Рис. 81 Передача света через оптоволокно

Прибор, который превращает электрический сигнал в свет, называется трансмиттером и включат в себя источник света. Подобным образом прибор, который выделяет падающий свет и преобразовывает его обратно в электрический сигнал, называется ресивером и включает в себя детектор света. В большинстве оптоволоконных систем трансмиттеры и ресиверы являются обязательными компонентами, которые установлены на плату схемы с оптическим оборудованием.

Большинство оптоволоконных систем технически являются симплексными соединениями. Следовательно, они используются только для передачи или только для получения, но не для обеих целей.

Два интерфейсных соединения - одно для передачи и одно для получения - требуются для создания полноценного соединения.

Такое двойное соединение называется дуплексным соединением. Оптические подключения к интерфейсу оборудования являются, следовательно, парными и обычно обозначаются как Тх и Rx (или Т и R) для отображения передачи и получения соответственно. В объединенном варианте они называются оптическим трансивером (приемопередатчиком).

Некоторые пары в оптических коннекторах точно выравниваются, чтобы пара оптических разъемов могла быть подсоединена одновременно. Волокна присоединяются к двум различным разъемам, а затем объединяются дуплексным адаптером. И коннектор 568-SC, и так называемые коннекторы SFF, описанные в стандарте TIA-568-C, являются дуплексными именно по этой причине. Парные волоконные кабели, которые называются дуплексными кабелями, обычно используются в качестве оптоволоконных перемычек. Кабели должны быть присоединены к подходящему для данной связи оптоволоконному коннектору.

Для передачи по волокну свет из оптического источника может быть собран в узкий луч для более эффективной передачи его энергии в волокно. В случае с лазерными источниками луч света уже достаточно узконаправлен и должен быть просто направлен в сердцевину волокна. На самом деле, совмещение оптического источника и соединение волокон с коннекторами являются критическими моментами для оптоволоконной технологии. Если коннекторы присоединены правильно, то оборудование коннектора обычно гарантирует, что передача волокно-к-волокну и волокно-к-источнику будет достаточно эффективной, что выразится в минимальных потерях при осуществлении связи.