История и физические принципы волоконно-оптической связи

Исторические предпосылки создания волоконной оптики. Физические принципы передачи сигнала с помощью света были впервые продемонстрированы еще в 1870-х годах, когда Джон Тиндалл показал членам Британского Королевского общества свой экспериментальный прибор (рис. 10.1). Ближе к нашему времени, хотя и не совсем удачно с практической точки зрения, Дж. Л. Берд применил стеклянные светопроводящие стержни в своей патентованной системе передачи цветного телевизионного изображения. Решающий прорыв произошел в 1966 году, когда С. Хокхам и Чарльз Као представили систему передачи данных по стеклянному волокну с использованием светового луча.

Рис. 10.1. Экспериментальная установка Тинделла

Ключевое открытие, сделавшее волоконную оптику практичной. Основным достижением Хокхама и Као стало теоретическое обоснование необходимости снижения потерь в диэлектрическом материале до приемлемого уровня. Именно это условие сделало предложенную ими систему передачи оптического сигнала работоспособной. К 1970 году были разработаны все необходимые теоретические предпосылки для практического применения волоконно-оптических кабелей в системах коммуникаций. Эти фундаментальные исследования заложили основу для развития современных телекоммуникационных технологий.

Основополагающие понятия оптики для волоконной связи. Прежде чем рассматривать вопросы изготовления и применения волоконно-оптического кабеля, необходимо вспомнить основные положения оптики, связанные с распространением света в оптической среде. Показатель преломления (или коэффициент преломления) представляет собой отношение скорости светового потока в вакууме к скорости этого же потока в физической среде. Для практических расчетов скорость распространения света в воздушной среде принимается равной скорости в вакууме.

Математическое выражение коэффициента преломления. С математической точки зрения, коэффициент преломления n выражается формулой:
n = c/vm (10-1),
где c — скорость света в вакууме (3 × 10⁸ м/с),
vm — скорость распространения света в среде.
Это фундаментальное соотношение позволяет количественно описывать поведение световых лучей при переходе между различными оптическими средами.

Явление преломления света на границе раздела сред. Явление преломления представляет собой изменение направления распространения светового луча при прохождении через границу раздела двух сред с различными коэффициентами преломления. На рис. 10.2 изображены два материала N1 и N2 с коэффициентами преломления n1 и n2 соответственно. Чем больше разница в оптической плотности двух сред, тем значительнее будет преломление светового луча.

Рис. 10.2. Рефракция

Закон Снеллиуса и его применение. В преломляющих системах угол преломления определяется отношением двух значений коэффициентов преломления согласно закону Снеллиуса:
n₁sinθi = n₂sinθr (10-2)
или
sinθi/sinθr = n₂/n₁ (10-3),
где θi — угол падающего луча относительно нормали,
θr — угол преломленного луча относительно нормали.
Этот фундаментальный закон описывает поведение света при переходе между оптическими средами.

Критический угол и полное внутреннее отражение. Особый интерес для волоконной оптики представляет случай, когда световой луч переходит из оптически более плотной среды в менее плотную. На рис. 10.3 показана система с тремя лучами, падающими на границу раздела под разными углами. Луч А падает под докритическим углом θia и расщепляется на отраженную и преломленную компоненты. Луч В подходит к критическому углу θib, после чего он распространяется параллельно интерфейсу.

Рис. 10.3. Критический угол отражения светового луча

Физическая основа работы волоконно-оптических систем. Луч С падает под сверхкритическим углом, превышающим критическое значение, и полностью отражается в исходной среде. Это явление известно как полное внутреннее отражение (TIR). Именно явление полного внутреннего отражения составляет физическую основу работы волоконно-оптического кабеля, позволяя эффективно передавать световые сигналы на значительные расстояния с минимальными потерями.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Бигелоу С.Д., Карр Д.Д., Виндер С..

Источник: Энциклопедия телефонной электроники.

Данные публикации будут полезны студентам и специалистам в области телекоммуникаций и сетевых технологий, инженерам, изучающим принципы передачи данных, а также всем, кто интересуется историей и эволюцией модемной связи и базовыми сетевыми протоколами.