Оптичні волокна: Як світло несе Інтернет

Заломлення світла у оптичному волокні

Коли світло проходить від щільнішого середовища в менш щільне, закон Снядена регулює заломлення: n₁·sin(θ₁) = n₂·sin(θ₂). Коли кут падіння θ₁ стає більшим за критичний кут θ_c = arcsin(n₂/n₁), відбита промінь торкається інтерфейсу і за кутом, що перевищує цей критичний кут, жодного відбитого променя не існує — усі фотони відбиваються. У стандартному силіконовому волокні ядро (n₁ = 1.4682) має трохи вищий показник заломлення, ніж оболонка (n₂ = 1.4629), що дає критичний кут приблизно 85.6°. Світло, що потрапляє у волокно за цим кутом від осі, відбивається від межі ядра та оболонки без втрати, направляючись по довжині волокна як гнучкий трубопровід для світла.

Чисельна апертура та структура волокна

Стандартне волокно має три шари: ядро, дозоване германієм (діаметр 8-62,5 мкм), з якого складається скло з додаванням германію, склоподібне покриття без домішок (125 мкм) з нижчою показною спражньої здатності, що створює межу повного внутрішнього відбиття, та UV-закалене акрилове покриття, яке захищає від абразії. Чисельна апертура, NA = √(n₁² − n₂²), визначає кут прийому, в якому волокно дійсно направляє світло – для стандартного SMF-28 волокна NA ≈ 0,14 забезпечує кут прийому близько 8°. Світло, що потрапляє за межі цього конуса, відхиляється у покриття та втрачається на відстані кількох сантиметрів, тому для мінімізації втрат з’єднання необхідно вирівнювати ядра волокон в межах приблизно 1 мкм.

Одномодний проти багатомодного

Одномодний волокно має ядро лише приблизно 8 мкм завдякиді, що робить його надто вузьким для одночасного проходження лише основного режиму, повністю усуваючи розсіювання за модами та підтримуючи смугу пропускання вище 100 ТГц. Це стандарт для міждовгових телекомунікацій, підводних кабелів і мереж FTTH. Багатомодний волокно має ядро більшого розміру – 50-62,5 мкм, що дозволяє кільком режимам подорожувати під кутом до одне одного; це призводить до розсіювання за модами, яке обмежує добуток відстані та смуги пропускання приблизно до 500 МГц·км, що обмежує його використання в короткострокових мережах менше 550 м – зазвичай у центрах обробки даних і університетських мережах, де важливіше вартість і простота підключення, ніж дальність.

sin(θ_c) = n₂ / n₁
Silica fiber: n₁ = 1.4682 (core), n₂ = 1.4629 (cladding)
θ_c = arcsin(1.4629/1.4682) ≈ 85.6°

Підсилювачі, WDM та підводні кабелі

Неуникне втрата сигналу – вікно мінімальної розріджуваності для силікатів становить приблизно 0,2 дБ/км на довжинах хвилі 1550 нм, тому системи з тривалим радіусом дії використовують смугу C. Підсилювачі оптичних сигналів на основі ерибію (EDFA), вперше продемонстровані в 1987 році, безпосередньо підсилюють оптичні сигнали, не перетворюючи їх ніколи на електрику, підвищуючи цілий 80+ канал DWDM одночасно і роблячи трансатлантичні зв’язки здійсненними без електронних повторювачів кожні кілька кілометрів. Wavelength-division multiplexing (WDM) потім витягує ще більше з кожного волокна скла: укладання приблизно 80 каналів при швидкості 400 Гбіт/с на смузі C забезпечує близько 32 Тбіт/с від пари волокон. Понад 99% міжконтинентального інтернет-трафіку подорожують по цій точній структурі через приблизно 570 підводних кабельних систем, що в сумі становлять понад 1,4 мільйона км, кожний кабель живиться від до 15 кВ постійного струму поряд з волокном для живлення повторювачів кожні 40-100 км.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте the simulation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.