Э. Таненбаум - Компьютерные сети. (4-е издание) (DJVU) (1130092), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Пе так уж плохо. За тот же период скорость передачи данных выросла с 56 Кбит/с (АКРАХЕТ) до 1 Гбит/с (современная оптическая связь), это означает рост в 125 раз за каждые 10 лет. При атом вероятность ошибки при передаче уменьшилась с 10-з на бит почти до нуля. В настоящее время процессоры начинают приближаться к своим физическим пределам. Скорость света преодолеть невозможно, непросто решить и проблему отвода тепловой энергии. Существующая ныне оптоволоконная технология, напротив, может развивать скорость передачи данных вплоть до 50 000 Гбит/с (50 Тбит/с), и при этом много специалистов занято поиском более совершенных Управляемые носители информации 123 материалов. Сегодняшний практический предел в 1О Гбит/с обусловлен нашей неспособностью быстрее преобразовывать электрические сигналы в оптические и обратно, хотя в лабораторных условиях уже достигнута скорость 100 Гбит/с на одинарном волокне.
В гонке компьютеров и средств связи победили последние. Мысль о практически бесконечной полосе пропускания (при ненулевой стоимости, разумеется) еще ие усвоена до конца поколением ученых-компьютершиков, приученных мыслить в категориях низких ограничений Найквиста и Шеннона, накладываемых на медный провод. Новая точка зрения должна заключаться в том, что все компьютеры безнадежно медленны, и сетям следует любой ценой избегать вычислений независимо от того, какая часть полосы пропускания при этом будет потеряна.
В данном разделе мы рассмотрим технологию передачи данных по оптическому волокну. Оптоволоконная система передачи данных состоит из трех основных компонентов:источника света, носителя, по которому распространяется световой сигнал, и приемника сигнала, или детектора. Световой импульс принимают за единицу, а отсутствие импульса — за ноль. Свет распространяется в сверхтонком стеклянном волокне. При попадании на него света детектор генерирует электрический импульс. Присоединив к одному концу оптического волокна источник света, а к другому — детектор, мы получим однонаправленную систему передачи данных.
Система принимает электрические сигналы и преобразует их в световые импульсы, передающиеся по волокну. На другой стороне происходит обратное преобразование в электрические сигналы. Такая передающая система была бы бесполезна, если бы свет по дороге рассеивался и терял свою мощность. Однако в данном случае используется один интересный физический закон. Когда луч света переходит из одной среды в другую, например, из стекла (расплавленного и застывшего кварца) в воздух, луч отклоняется (эффект рефракции или преломления) на границе «стекло — воздухь, как показано на рис.
2.4, а. Здесь мы видим, что луч света падает под углом ап выходя под углом рг Соотношение углов падения и отражения зависит от свойств смежных сред (в частности, от их коэффициентов преломления). Если угол падения превосходит некоторую критическую величину, луч света целиком отражается обратно в стекло, а в воздух ничего не проходит.
Таким образом, луч света, падаюший на границу сред под углом, превышающим критический, оказывается запертым внутри волокна, как показано на рис. 2.4, б, и может быть передан на большое расстояние почти без потерь. На рис. 2 4, б показан только один пойманный луч света, однако поскольку любой луч света с углом падения, превышающим критический, будет отражаться от стенок волокна, то и множество лучей будет одновременно отражаться под различными углами.
Про каждый луч говорят, что он обладает некоторой модой, а оптическое волокно, обладаюшее свойством передавать сразу несколько лучей, называется многомодовым. Однако если уменьшить диаметр волокна до нескольких длин волн света, то волокно начинает действовать подобно волноводу, и свет может двигаться только по прямой линии, без отражений от стенок волокна. Такое волокно называется одномодовым. Оио стоит дороже, но может использо- 124 Глава 2. физический уровень ваться при передаче данных на болыпие расстояния.
Сегодншпние одномодовые волоконные линии могут работать со скоростью 50 Гбит/с на расстоянии до 100 км. В лабораториях были достигнуты и более высокие скорости, правда, на меньших дистанциях. Воздух Граница «воздух-стекло» р1 ()2 Полное внутреннее отражение Стекло Источник светв а о Рис. 2.4. Три примера преломления луча света, падающего под разными углами, на границе кварцевого волокна и воздуха (а); луч света, пойманный полным внутренним отражением (о) Прохождение света по волокну Оптическое волокно изготавливается из стекла, которое, в свою очередь, производится из песка — недорогого необработанного материала, доступного в неограниченных количествах.
Изготовление стекла было известно уже в Древнем Египте, однако, чтобы свет мог проникнуть сквозь стекло, его толщина не должна превышать 1 мм, чего в то время было невозможно достичь. Стекло, достаточно прозрачное, чтобы его можно было использовать в окнах зданий, было изобретено в эпоху Возрождения. Для современных оптических кабелей применяется настолько прозрачное стекло, что если бы океаны вместо воды состояли из него, то дно океана было бы так же ясно видно, как поверхность суши с борта самолета в ясный день. Ослабление силы света при прохождении через стекло зависит от длины волны. Для стекла, используемого в оптическом волокне, зависимость ослабления от длины волны в децибелах на километр длины волокна показана на рис.
2.5. Ослабление в децибелах вычисляется по формуле передаваемая мощность Ослабление в децибелах = 10!я принимаемая мощность Например, ослаблению мощности в два раза соответствует на графике 10 18 2 = 3 дБ. На графике изображена ближняя инфракрасная часть спектра, используемая на практике. Видимый свет имеет несколько более короткие длины волн — от 0,4 до 0,7 мкм (1 мкм равен 10-' и). В системах связи используются три диапазона длин волн: 0,85, 1,30 и 1,55 мкм соответственно. Последние два обладают хорошими характеристиками ослабления (менее 5 % потерь на километр). Диапазон 0,85 мкм обладает более высоким ослаблением, однако его преимуществом является то, что для этой длины волны лазеры и электроника могут быть сделаны из одного и того же материала (арсе- Управляемые носители информации 125 нида галлия). Все три диапазона обладают полосой пропускания от 25 000 до 30 000 ГГц.
2,0 1,8 1,6 в ю 1,4 е 1,2 1,0 ~ 0,В 0,6 0,4 0,2 0 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,6 1,6 1,7 1,8 Длина волны, ики Рис. 2.6. Ослабление света в инфракрасной области спектра при прохождении через оптическое волокно Световые импульсы удлиняются по мере их продвижения по волокну. Это удлинение называется световой дисперсией. Величина удлинения зависит от длины волны.
Чтобы не допустить перекрывания соседних расширяющихся импульсов, можно увеличить расстояние между ними, однако при этом придется уменьшить скорость передачи. К счастью, было обнаружено, что эффект дисперсии можно предотвратить, если придавать импульсам специальную форму, а именно обратной величины от гиперболического косинуса. В этом случае будет возможно посылать импульсы на тысячи километров без искажения формы. Такие импульсы называются уединенными волнами. Значительная часть исследователей намерена перейти от лабораторных исследований уединенных волн к их промышленному использованию.
Оптоволоконные кабели Структура оптоволоконного кабеля схожа с описанной ранее структурой коаксиального провода. Разница состоит лишь в том, что в первом нет экранирующей сетки. На рис. 2.6, а показана отдельная оптоволоконная жила. В центре ее располагается стеклянная сердцевина, по которой распространяется свет. В многомодовом оптоволокне диаметр сердечника составляет 50 мкм, что примерно равно толщине человеческого волоса. Сердечник в одномодовом волокне имеет диаметр от 8 до 10 мкм. Сердечник покрыт слоем стекла с более низким, чем у сердечника, коэффициентом преломления.
Он предназначен для более надежного предотвращения выхода света за пределы сердечника. Внешним слоем служит пластиковая оболочка, 126 Глава 2. Физический уровень зашишаюшая остекление. Оптоволоконные жилы обычно группируются в пучки, защищенные внешней оболочкой. На рис. 2.6, б показан трехжильный кабель. Футля ожух Сердачн (стекло Оболочка Кожух (стекло) (пластик) Сердечни болочка рис. 2.6. Внд одиночного волокна сбоку (а); поперечное сечение трехжильного кабеля (б) Обычно кабели кладутся в грунт на глубину около 1 м, где их могут случайно повредить грызуны или экскаватор. У побережья трансокеанические кабели укладываются в траншеи специальным механизмом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
