Fibre optice

Fibre optice

Multe persoane din industria calculatoarelor sunt foarte mandre de rapiditatea evolutiei tehnologiei calculatoarelor. in 1970, un calculator rapid (de ex. CDC 6600) putea executa o instructiune in 100 de nsec. Douazeci de ani mai tarziu, un calculator CRAY rapid putea executa o instructiune in 1 nsec, o imbunatatire cu un factor de 10 la fiecare deceniu. Un rezultat care nu este de neglijat.

In aceeasi perioada, comunicatiile de date au evoluat de la o viteza de 56 Kbps (ARPANET) pana la 1 Gbps (comunicatiile optice moderne), un castig cu un factor mai mare de 100 pe fiecare decada. in aceeasi perioada, frecventa erorilor a scazut pana aproape de zero.

Mai mult, procesoarele se aproprie de limitele lor fizice, date de viteza luminii si problemele de disipare a caldurii.

Prin contrast, folosind tehnologiile actuale de fibre optice, banda de frecventa care poate fi atinsa este cu siguranta mai mare decat 50.000 Gbps (50 Tbps) si sunt inca multi oameni care cauta materiale mai performante.

Limita practica actuala de aproximativ 1 Gbps este o consecinta a imposibilitatii de a converti mai rapid semnalele electrice in semnale optice. in laborator, sunt posibile rate de 100 Gbps pe distante scurte. in doar cativa ani se va putea obtine o viteza de 1 Terabit/sec. Sunt in curs de realizare sistemele integral optice.

In cursa dintre calculatoare si comunicatii, acestea din urma au invins.

Noua maniera de abordare consta in a considera calculatoarele ca fiind extrem de incete, astfel ca retelele ar trebui sa evite calculele la orice cost, indiferent de largimea de banda risipita.

Un sistem de transmisie optic este format din trei componente:

q  sursa de lumina;

q  mediul de transmisie;

q  detectorul.

Prin conventie, un impuls de lumina inseamna bitul 1, iar absenta luminii indica bitul zero.

Mediul de transmisie este o fibra foarte subtire de sticla. Atunci cand intercepteaza un impuls luminos, detectorul genereaza un impuls electric.

Prin atasarea unei surse de lumina la un capat al fibrei optice si a unui detector la celalalt, obtinem un sistem unidirectional de transmisie a datelor care accepta semnale electrice, le converteste si le transmite ca impulsuri luminoase si apoi le reconverteste la iesire in semnale electrice.

Acest sistem de transmisie ar fi fost lipsit de importanta in practica, cu exceptia unui principiu interesant al fizicii.

Cand o raza luminoasa trece de la un mediu la altul, de exemplu, de la siliciu la aer, raza este refractata (indoita) la suprafata de separatie siliciu / aer ca in Fig. 3.

Se observa o raza de lumina incidenta pe suprafata de separatie la un ungi ai care se refracta la un unghi bi.

Marimea refractiei depinde de proprietatile celor doua medii (in particular, de indicii lor de refractie). Pentru unghiuri de incidenta mai mari decat o anumita valoare critica, lumina este refractata inapoi in siliciu fara nici o pierdere. Astfel o raza de lumina, la un unghi egal sau mai mare decat unghiul critic, este incapsulata in interiorul fibrei, ca in Fig. 3 (b) si se poate propaga pe multi kilometri, aparent fara pierderi.

Fig. 3.

(a) Trei exemple de raze de lumina in interiorul unei fibre de siliciu care cad pe suprafata de separatie aer / siliciu la unghiuri diferite.

(b) incapsularea luminii prin reflexie totala.

In Fig. 3 (b) se poate observa o singura raza incapsulata, dar se pot transmite mai multe raze cu unghiuri de incidenta diferite, datorita faptului ca orice raza de lumina cu unghi de incidenta la suprafata de separatie mai mare decat unghiul critic va fi reflectata total.

Se spune ca fiecare raza are un mod diferit, iar fibra care are aceasta proprietate se numeste fibra multi-mod.

Oricum, daca diametrul fibrei este redus la cateva lungimi de unda ale luminii, fibra actioneaza ca un ghid de unda si lumina se va propaga in linie dreapta, fara reflexii, rezultand o fibra mono-mod.

Aceste fibre sunt mai scumpe, dar pot fi folosite pe distante mai mari. Fibrele mono-mod curente pot transmite date la mai multi Gbps pe distante de 30 Km. Rate de transfer de date mai mari au fost obtinute in laborator pe distante mai scurte.

Experimentele au aratat ca lasere puternice pot transmite pe fibre de lungimi de 100 Km, fara repetoare, insa la viteze mai mici.