Мини-лекции. ВОЛС

Вся история с этими ВОЛСАМИ начиналась аж с 1870-го, когда английский физик Джон Тиндаль продемонстрировал опыт Рис1. Нет, он никак не был связан ни с телеграфами, ни с телефонами, но как потом оказалось...
Из ёмкости с водой, через кран вода в виде струи вытекала в нижестоящую чашку. Свет электрической дуги сфокусированный линзой попадал в начало струи. И вся струя светилась до самого последнего момента. Сейчас этим уже никого не удивишь. В городах зачастую подсвечиваются таким способом струи фонтанов.

Уже в 1905 году американский физик Роберт Вуд писал: «Свет без больших потерь энергии можно перевести из одной точки к другой, пользуясь внутренним отражением от стенок палочки из стекла или лучше плавленого кварца.» Что же это за такое внутреннее отражение? Посмотрите на Рис2. Здесь условно показано что происходит на границе двух сред при падении под некоторым углом луча света на эту границу. В точке падения восстановлен перпендикуляр относительно которого и отсчитываются все эти углы: a и b. Имеется ввиду углы падения, преломления и отражения.

Если Вы когда-нибудь учились в школе, то может с трудом вспомните о таком явлении как преломление света при прохождении через границу двух сред. Причём среды неравнозначные по своей оптической плотности (воздух и вода, воздух и стекло). А нехитрые законы этого преломления были установлены нидерландским астрономом и математиком Виллебрордом Снеллиусом совсем недавно, в 1621 году. На Рис2а Вы видите падение луча света под произвольным углом к перпендикуляру. Стало быть и угол преломления (b) будет иметь какое-то произвольное значение. Увеличивая угол падения (а) Рис2a можно добиться такого положения когда угол преломления (b) будет равен 90°, а преломленный луч начнёт скользить вдоль границы двух сред Рис2b. И если до этого энергия падающего луча делилась между отражённым и преломленным, то теперь вся энергия уходит на отражённый луч. Так ещё, весь световой поток будет отражаться от границы. Наступит так называемый, режим полного внутреннего отражения. А угол падения при котором наступает полное внутреннее отражение, — называется предельным. Что это нам даёт? Теперь однажды свет попавший в светопроводящую среду будет без потерь (почти) двигаться вдоль нашего световода! Не вдаваясь в мало интересующие Вас подробности, скажу, что для двух сред воды и воздуха, предельный угол равен 48°30'. И все лучи, падающие на границу под углом равным или более предельного, будут полностью отражаться.

Вы наверное уже заметили к чему это я клоню? Совершенно верно, к использованию эффекта полного отражения для создания световодов с минимальными потерями. Идея с этими световодами была подхвачена но как-то не очень... И только в 1950-м году были созданы двухслойные стеклянные волокна (тонкие, гибкие стеклянные нити). Внутренний стержень с большим показателем преломления чем у его стеклянной оболочки. Зачем спросите Вы какая-то стеклянная оболочка? Да, можно использовать воздух, но нам же нужно как-то защитить световод? Стеклянная оболочка с меньшим показателем преломления (Показатель преломления (n) показывает во сколько раз скорость света в вакууме больше чем в данной среде? Рис2d.) чем у самого световода, обеспечивает условие полного отражения. Теперь мы можем поверх всего этого нанести непрозрачную, защитную оболочку любой толщины. Вот, после этого мы можем стеклянную нить использовать в качестве световода! И, что тут началось... Выхожу я как-то из местного онкоцентра. Навстречу с кисло-перепуганным видом мужик.
 — Здесь глотают лампочку? — спрашивает меня.
 — Да! — отвечаю. Вон в ту дверь, направо и по коридору. Мужик грустно кивнул и поплёлся на экзекуцию.
 — А Вы лампочку захватили с собой? — прикалываюсь ему вслед.
 — Какую?
 — На 220! Мужик грустно-понимающе улыбнулся и скрылся за дверью... Вот! Те, кому посчастливелось эту лампочку, могли познакомиться со волоконно-оптическим световодом (так это теперь по науке называется) и эскулапом рассматривающем Ваши ... Ну сами знаете, что?

Вы спросите, мол, а причём здесь вся эта телеграфнно-телефонная хрень? Очень даже причём! Потому как так называемая ВОЛС была создана на основе волоконно-оптических световодов, а ВОЛС, — волоконно-оптическая линия связи! На СВЧ используют для передачи энергии несколько непривычные линии связи, — волноводы. То есть, металлические трубы (медные, латунные и пр.) как круглые, так и прямоугольные! А свет? Это же, те же электромагнитные колебания, точнее кусочки, фотоны. Это же сверх СВЧ получается, вот! И для света ВОЛС тот же самый СВЧ-волновод, та же труба! Осталось дело за малым! Превратить информацию в виде электрических сигналов в световые и запустить в «трубу», а на другой стороне преобразовать в обратную, в электрическую! Вот такая загогулина получается. Не сомневаюсь, что Вы спросите, мол и на хрена вся это волокита?! Ну? Так Вам и скажи, вот так сразу?! ВОЛС, это наше светлое будущее! Извиняюсь, — уже настоящее! Не исключено, что Вы через эту ВОЛС читаете мою писанину! По крайней мере я Вам её посылаю точно, через ВОЛС! Во как?!

Рассмотрим поближе устройство световода Рис3,4. Это так называемый продольный разрез волокна. Голубого цвета это и есть тот светопроводящий стержень. Серого оттенка стеклянная оболочка с показателем преломления меньшим чем у основы (условие полного внутреннего отражения). Чем же они отличаются друг от друга?

Здесь нужно сделать отступление и пояснить, что изображённые на рисунках стрелочки как бы лучи света. Но в природе нет никаких лучей (стрелок)! А под лучом света понимают лишь направление движения фронта волны (электромагнитной, в смысле световой) в точке соприкосновения кончика стрелки. Элементарная площадь фронта волны в данной точке всегда перпендикулярна лучу.

Итак, на Рис3,4 Вы видите три вида волокон, точнее их оптическую сторону.Теперь Вы можете прочувствовать все тонкости как в прямом, так и переносном смысле, все эти волоконные проблемы, если толщина волоса человеческого составляет 80-110 микрон! Забудем на время про микроны. На Рис3а так называемое одномодовое волокно. Диаметр светопроводящей части настолько мал и соизмерим с длиной световой волны, что по нему может двигаться только один луч света (вид, мода). Он если преломляется то только на изгибах. На Рис3b многомодовое волокно. Здесь наблюдается оживление, даже без всяких изгибов многие лучи (моды) подвергаются отражению. И наконец Рис4, на котором Вы видите ещё один вариант волокна, многомодовое градиентное.

В общем виде варианты Рис3a,b отличаются конструктивно лишь диаметром световодной части. Как у того так и другого показатель преломления меняется скачком от оболочки к световоду Рис4а и неизменен по всему сечению. Совсем другое устройство световода градиентного волокна Рис4b. Сам световод неоднороден и в сечении выглядит (если бы мы могли это увидеть?) как срез дерева с его годичными кольцами. Это почему? Потому как при изготовлении волокна на центральное волокно постепенно наращивали слои стекла с меньшим показателем преломления. Меньше всего был показатель у последнего слоя. Самый большой показатель преломления естественно был у центральной части. Стало быть показатель остальных колец уменьшается от центра к периферии. Это видно по куполообразному графику. Такое хитрое строение световода заставляет двигаться лучи света вот по таким странным траекториям. Если Вы имели возможность познакомиться с мини-лекцией «Радиоволны», то там такое поведение наблюдается при прохождении радиоволн через тропосферу. Там также показатель преломления меняется с увеличении высоты. У земли самый высокий и постепенно уменьшается с высотой. Поэтому радиоволны направленные первоначально в космос под углом к поверхности земли, плавно поворачиваются к земле.

Все три варианта, как и положено, имеют как плюсы, так минусы. Отличие характера поведения лучей ведёт к различию результата. На Рис3а, внизу, в белом прямоугольнике диаграммы импульсов переносимых светом. Слева исходный, справа на выходе. Как видите форма практически не изменилась. А вот на Рис3b она расползлась. Всё потому как из-за многочисленных отражений время прихода лучей к финишу разное, отсюда и результат! А вот у градиентного волокна время прихода лучей как бы уравновешено и разница времени прихода меньше или говорят, что дисперсия меньше. Конечно всех этих тонкостей, этих одно-многомодных волокон множество... Я не думаю, что Вам очень уж интересно о них узнать? А очень любопытных отсылаю к хорошей книге Давида Леонидовича Шарле «По всему земному шару: Прошлое, настоящее и будущее кабелей связи». Москва, издательство «Радио и связь», 1985 год. Для тех кто не умеет читать, там много цветных картинок...

На Рис5 показано поперечное сечение оптического волокна. Где: 1 — сердцевина, собственно сам световод; 2 — оболочка волокна; 3 — защитная оболочка (внутренний слой); 4 — промежуточный-буферный слой; 5 — наружный слой. Как электрические кабели, так и волоконно-оптические выглядят в общем виде примерно одинаково и как вариант на Рис6. Как минимум (аналогично электрическим) в волоконно-оптическом кабеле должна быть пара волокон. Если в электрическом для нормальной работы нужна замкнутая цепь, то здесь немного другое...

В «серьёзном» кабеле Рис6, волокна собирают в так называемые элементарные пучки (10 шт.) Рис6e. Далее в главные пучки (несколько элементарных). Иногда их называют ещё модули Рис6d. А потом всё это покрывают защитными оболочками Рис6a,c (пластик) и в том числе бронью Рис6b. Если кабель должен находиться в подвешенном состоянии (между домами или опорами) то для таких случаев внешняя оболочка изготовляется с приливом. Внешне это выглядит как два кабеля (толстый и тонкий) оболочками склеены в один. Только тонкий это всего лишь стальной трос, несущий на себе рабочий кабель. Отдельный разговор о подводных кабелях, несущих ещё и другие неприятности...

На Рис7 показано устройство подводного кабеля и его составляющих. На Рис7a,b,c варианты модулей из шести волокон. Здесь (в модулях) Рис7а 2 — волокно. 3 — силовой элемент (стальная проволока). 4 — основа модуля, пластиковая оболочка. 5 — пластиковые трубочки. 6 — компаунд. На Рис7b вариант с такими же трубочками но с заполненным компаундом пространстве модуля. На Рис7с ещё один вариант со специальным пластиковым разделителем волокон. А в остальном одно и тоже. Всего три цепи (телефонные), аналогичные четырёхпроводным телефонным (два провода в одну сторону и два в другую). Каждая пара волокон обеспечит 4000 телефонных каналов, а весь кабель 12000! На Рис7d уже весь кабель, во всей красе. В середине естественно модуль. 1 — силовой элемент. Вокруг модуля навиты стальные проволоки разного диаметра — 7. 8 — алюминиевая или медная трубка. 9 — защитная, пластиковая оболочка. Такой кабель должен был проложен между Францией и Португалией в восьмидесятых годах. А может уже и лежит давно?..

Ну, вот! Мы с Вами всё ходим вокруг, да около и всё вроде бы понятно, а как же информация попадает в этот самый световой поток? Также как и в радио путём модуляции светового потока. Только там модуляторы совсем другие, а здесь же свет! Он конечно тоже электромагнитные волны, но всё же... Стало быть и модуляторы должны быть другие. А другие, это какие? Хорошие естественно! Вот перед Вами Рис8 какие-то каракули?.. Это описание в картинках одного из методов модуляции света основанного на эффекте Керри. Вы наверняка слышали о таком явлении как поляризованный свет? О поляроидах? И наверняка не только видели, но и пользовались электронными часами и калькуляторами с дисплеями на жидких кристаллах. Вот, это и есть применение поляризованного света.

Все эти поляризации упоминались в моей мини-лекции «Антенны». Радиоволны, они же электромагнитные, состоят из магнитной составляющей и электрической и их векторы напряжённости E и H перпендикулярны друг другу. Обычные телевизионные антенны ориентированы на электрическую составляющую. Ориентированы на ту которую излучает телецентр. Основная поляризация в старину была горизонтальная и антенны были похожи на летящий самолёт. Но теснота в эфире заставила иногда применять вертикальную поляризацию. И стало быть антенны стали ставить вертикально. Если Вы очень далеки от всего этого... То антенна горизонтально направленная это как ладонь лежащая на столе. Средний палец направлен на телецентр. При вертикальной поляризации ладонь располагаете так как бы для рукопожатия (большой палец вверх), а средний палец по-прежнему направлен на телецентр.

И если с радиоволнами всё понятно, то со светом не совсем. Дело в том, что свет в отличие от радиоволн излучается атомами, а каждый атом сам себе на уме... Отсюда и свет не имеет чёткой поляризации Рис8а. Поставим на пути света поляроид Рис8b. Поляроид максимально пропускает свет определённой поляризации (определённого угла плоскости поляризации. На рисунке черта разделяющая поляроид). После поляроида обычный свет становится поляризованным, то есть как и радиоволны. Поставим на пути такого поляризованного света ещё один поляроид, но угол плоскости поляризации немного изменим по отношению к углу плоскости поляризации первого Рис8с. Поляроид пропустит меньше света чем в случае параллельности плоскостей поляризации. Уменьшение величины векторов за поляроидом Рис8с говорит об этом. И если мы повернём поляроид Рис8с так, чтобы плоскости поляроидов стали перпендикулярными, — свет вообще не будет проникать через нашу систему.

На Рис9 показано некое устройство со всеми нашими поляризаторами. В отличие от Рис8 здесь появилась ванночка с жидкостью Рис9k. Поляризованный свет бесприпятственно проходит через прозрачную жидкость и попадает на второй поляризатор Рис9с. Плоскости поляризации на данный момент перпендикулярны и через второй поляризатор свет естественно не проникает. Но вот на пластины конденсатора, находящегося в ванночке подаётся напряжение и? И жидкость чудесным образом меняет плоскость поляризации света и второй поляризатор вынужден пропустить какую-то его часть. И чем больше напряжение на конденсаторе, тем в большей степени будет вращаться плоскость поляризации света. Стало быть и величина светового потока через поляроид Рис9с увеличится. Наша система таким образом модулирует поток света. На приёмной же стороне свет воздействует на фотоприёмник Рис9d. На выходе которого и возникает ток аналогичный тому который управляет плоскостью поляризации света в ванночке. Этот жидкий фокус называется эффектом Керри.

Да, существуют и другие эффекты воздействующие на свет (модулируют). Конечно все мы не будем здесь рассматривать, но упомянуть о них можно и нужно.



1) Электрооптический эффект — изменение параметров показателя преломления некоторых материалов (например, ниобата лития LiNbO3) под действием электрического поля, создаваемого источником модулирующего сигнала.

2) Магнитооптический эффект Фарадея — изменение параметров показателя преломления некоторых материалов под действием магнитного поля, создаваемого источником модулирующего сигнала.

3) Упругооптический эффект — изменение параметров показателя преломления некоторых материалов под действием акустической (или механической) волны, создаваемой источником модулирующего сигнала (эффект Брэгга, эффект Рамана – Ната).

4) Электроабсорбционный эффект — изменение параметров прозрачности некоторых материалов под действием электрического поля, создаваемого источником модулирующего сигнала. Наиболее широкое применение в модуляторах оптических передатчиков получили электрооптический и электроабсорбционный эффекты. Модуляторы на их основе называются ЭОМ и АБОМ. Эти модуляторы отличаются высоким быстродействием и получили применение в высокоскоростных системах передачи.




Так, что наш Керри был в основном нужен, чтобы Вам хоть немного были понятны проблемы с модуляцией света. В основном как демонстрационный опыт, хотя?.. Хотя он применяется для определения количества сахара в растворе! А может и других веществ?

И последнее! Какой бы не была красивой сказка про полное внутреннее отражение, но?.. Но потери всё же есть и на первых порах были очень значительные. Стало быть на протяжённых линиях связи нужно ставить промежуточные усилители! Но это при применении электрических кабелей, а как же нам быть с оптикой? Сами понимаете, что усилить свет мы не можем и стало быть нужны регенераторы. Они превращают ослабленный световой поток в электрические сигналы. Усиливают их и уже потом они модулируют следующие источники света. И только потом опять посылают в трубу (световод). Вот такая система получается. И чем лучше состав волокон, тем на большие расстояния друг от друга придётся ставить эти регенераторы. Работы по этой теме велись, ведутся и будут вестись!

Если раньше волокна позволяли проводить манипуляции со светом одной волны (для Вас одного цвета), то теперь дошла наука до использования одного волокна для передачи нескольких волн. И естественно увеличения при одних и тех же возможностях количество передаваемой информации. Упрощённую схему системы Вы видите на Рис10. Здесь слева четыре источника на четырёх волнах суммируются в ОС — оптическом сумматоре. Пройдя через ВОЛС в ОР общий поток разделяется на отдельные волны и идёт к получателю информации. ОР, естественно, — оптический разделитель! А всё вместе, это всё та же коммунальная квартира, — волновое (частотное) уплотнение, с теми же Швондерами!

И в заключение! Основными преимущества использования ВОЛС являются:
1) более широкая полоса пропускания, чем у медного кабеля;
2) невосприимчивость к электрическим помехам;
3) низкие потери при передаче сигнала;
4) не вызывает помех в соседних кабелях, как традиционных медных, так и в оптоволоконных;
5) увеличение дальности передачи информации;
6) высокое качество передаваемого сигнала;
7) оптоволоконный кабель миниатюрен и легок.

Недостатки (куды ж без них?) передачи сигналов по ВОЛС:
1) кабель и приёмопередающее оборудование для ВОЛС значительно дороже, чем оборудование, применяемое для передачи сигналов по электрическому или коаксиальному кабелю;
2) для прокладки оптоволоконного кабеля требуются квалифицированные специалисты. Необходимы специальное оборудование и инструмент для монтажа разъемов и сращивания кабеля. Одним словом, — дело это дороженное...

Не менее важное в применении ВОЛС, — экономическая сторона! Нет, я не про доллары, а про медь! Её ведь на земле, — кот наплакал! И запасы не безграничны, а тонны меди уже похоронены безвозвратно на дне океанов. И правы наверное учёные, подсчитавшие, что если все в мире будут прожирать ресурсы земли как американцы, то? То, всех этих ресурсов хватит всего лишь на три месяца!!! И под занавес в следующей мини-лекции познакомимся с одной из значимых исторических историй, — Сражение в Атлантике. http://www.proza.ru/2017/10/08/347