Подобная система передачи данных была бы бесполезной на практике из-за утечек света, если бы не один интересный физический принцип. Когда луч света переходит из одной среды в другую, например из кварцевого стекла в воздух, он преломляется на границе стекло/воздух. На илл. 2.4 (а) показано, как луч света падает на границу под углом α1 и отражается под углом β1. Сила преломления зависит от свойств обеих сред (в частности, их коэффициентов преломления). Если углы падения превышают определенное критическое значение, свет отражается обратно в стекло и не попадает в воздух вообще. Следовательно, луч света, падающий под критическим (или превышающим его) углом, оказывается «пойман» внутри оптоволокна, как показано на илл. 2.4 (б). Этот луч может распространяться на многие километры практически без потерь.
Илл. 2.4. (а) Три примера попадания луча света изнутри кварцевого волокна на границу воздух/стекло под разными углами. (б) Свет, удерживаемый внутри вследствие полного внутреннего отражения
На илл. 2.4 показан только один «пойманный» внутри волокна луч. Но поскольку любой луч с углом падения выше критического отразится внутрь, множество лучей будет отражаться внутри волокна под разными углами. В этом случае говорят, что у лучей различные моды, а волокно при этом называется многомодовым (multimode fiber). Если же уменьшить диаметр волокна до нескольких длин волны света (менее 10 мкм (микрометров); при этом диаметр многомодового волокна превышает 50 мкм), волокно становится волноводом. Это значит, что свет может распространяться в нем только по прямой, без отражений. Такое волокно называется одномодовым (single-mode fiber). Несмотря на высокую стоимость, оно широко используется для передачи данных на большие расстояния. Одномодовое волокно способно передавать сигналы на расстояние примерно в 50 раз больше, чем многомодовое. Современные одномодовые оптоволоконные кабели работают со скоростью 100 Гбит/с на расстоянии до 100 км без усиления. В лабораторных условиях были достигнуты еще большие скорости, правда, для коротких дистанций. Выбор одномодового или многомодового волокна зависит от сценария применения. Многомодовые оптоволоконные кабели используются для передачи данных на расстояние до 15 км и позволяют применять более дешевое оптоволоконное оборудование. Однако их пропускная способность уменьшается по мере увеличения расстояния.
Передача света через оптоволокно
Оптическое волокно производится из стекла, которое, в свою очередь, делается из песка — дешевого материала, доступного в неограниченных количествах. Секрет изготовления стекла был известен еще древним египтянам, но стекло должно быть толщиной не более 1 мм, иначе через него не проходит свет. Достаточно прозрачное стекло, пригодное для окон, появилось лишь в эпоху Возрождения. В современных оптоволоконных кабелях используется невероятно прозрачное стекло. Если бы оно заполняло океаны вместо воды, можно было бы рассмотреть морское дно так же четко, как землю из самолета в ясный день.
Затухание света при прохождении через стекло зависит от длины волны света (равно как и от некоторых физических свойств стекла). Оно определяется как отношение мощности входного сигнала к мощности выходного. На илл. 2.5 приведен график затухания света для стекла, применяемого в оптоволоконных кабелях, в децибелах (дБ) на километр длины кабеля. В качестве примера: двукратное ослабление мощности сигнала соответствует затуханию в 10 log10 2 = 3 дБ. Мы обсудим децибелы чуть позже. Если кратко, это логарифмическая мера отношения мощностей, где 3 дБ соответствуют двукратному отношению мощностей. На илл. 2.5 представлена часть спектра, близкая к инфракрасной, применяемая на практике. Длина волны видимого света чуть короче, от 0,4 до 0,7 мкм (1 мкм = 10–6 м). Настоящий борец за чистоту метрической системы описал бы эти длины волн как «от 400 до 700 нанометров», но мы будем придерживаться более традиционного написания.
В настоящее время для оптоволоконной связи наиболее широко используются три диапазона длин волн. Центры их находятся в точках 0,85, 1,30 и 1,55 мкм. Ширина всех трех диапазонов — от 25 000 до 30 000 ГГц. Сначала использовался 0,85-микрометровый диапазон. Он отличался более быстрым затуханием и потому применялся для передачи на меньшие расстояния, но при такой длине волны лазеры и электроника могут быть из одного материала (арсенид галлия). Остальные два диапазона характеризуются хорошими показателями затухания: потери составляют менее 5 % на километр. Сегодня 1,55-микрометровый диапазон широко применяется с усилителями, легированными ионами эрбия. Эти усилители работают непосредственно в оптической зоне.