воскресенье, 7 февраля 2016 г.

13. Волоконная оптика - прикольное изобретение человечества. часть 13

В нашем дивном (не диванном!) Мире есть всё, что надо творцу для воплощения своих замыслов и проведения экспериментов. Нам, как ученикам, надо только освоить мастерство с азов волшебства и постараться не испортить этот Мир своими глупыми творениями. Сделайте приятное для всех - оставьте потомкам "мастерскую" в лучшем виде.

Виктор Мирошкин - Природа

Продолжаем чайник-шоу для человека разумного.

В этой части обратим наше внимание на важный параметр оптического волокна - затухание сигнала. Этот параметр измеряется в децибелах и означает потери света.

Децибел - этот термин официально трактуется как "кратность", то есть это разы или проценты. И никак не вроде килограмма, не вольт, не метр, в общем это не абсолютная величина, а относительная - то есть оценивается одно относительно другого. В оптическом волокне, например, в децибелах считаем - насколько велики различия в мощности света на входе и выходе.

Децибел в оптическом волокне - это потери мощности света

Начинаем рассуждать - если сигнал теряет свою силу, значит его силу что-то забирает? Кто же это сопротивляется свободному проходу сигнала по волокну? И еще вопрос - как это происходит?

Исходя из готовых, известных уже нам бытовых определений, составляем условие нашей задачки (без вызывающих аллергию формул):

1. Сначала лезем в интернет и смотрим - мощность света обычно измеряется в ... и тут начинается ужас определений. Мы остановимся на таком: "мощность - световая энергия, переносимая излучением через некоторую поверхность за единицу времени". По-нашему, по-простому = "комок света, летящий со скоростью света по тоннелю".

2. Летящий в туннеле комок света подстерегают "бандиты", "завалы". Тоннель может непредсказуемо изгибаться, сужаться и расширяться. В тоннеле изменчивая атмосфера.

3. Комок света не управляем.

Из правильно составленного условия почти понятно, что наш летящий в тоннеле "комок света" похож на бегущий электрон в металлическом проводе. И сопротивление летящему комку света так же можно условно представить как электрическое сопротивление току в проводнике - другими словами, прозрачный туннель оптоволокна не такой уж и прозрачный.

Теперь представим бросок мяча и такого же размера комка ваты. Мяч явно пролетит дальше ваты, потому что плотнее, тяжелее. Можно взять одинаковые по весу мяч и вату, уплотнить вату и снова бросить. Результат таким образом можно выровнять, но это будет уже не вата, а похожий на мяч предмет.

В науке принято представлять свет условно и ватой, и мячом одновременно, то есть частотой и частицей (тут я могу поспорить с общепринятыми утверждениями).
Ну, а мы приблизились к пониманию плотности света. Представим уплотнение света, как уплотнение ваты. К примеру, лазерное излучение - это плотный свет (напомню, что я пока не использую официальные термины).

Вата и плотный комок ваты - это образ разной частоты


При пробеге через тоннель оптоволокна наш комок света летит так быстро, что врезается во все преграды и сшибается обо все изгибы пути. Бесследно для него это не проходит, естественно. А еще каждый встречный-поперечный норовит отнять у комка света часть энергии. К тому же есть некоторое встречное сопротивление "атмосферы" туннеля, наподобие сопротивления воздуха мотоциклисту.
В итоге комок света прилетает в конец тоннеля побитый, если прилетает вообще.

Такова получается картина пробега света в волокне, описанная простым образным языком. Так представлять процесс передачи света в оптическом волокне необходимо на самом первом этапе понимания возникновения потерь мощности сигнала.

Углубляемся.

Из школьных знаний известно, что разные металлы имеют разное электрическое сопротивление. Такой же эффект и у стекол по отношению к свету - разный состав стекла влияет на прохождение света. Вспомним про связь длины волны и частоты.

 

Вспомним также, что свет и электричество имеют одно общее свойство - частоту. Исходя из этого предположим, что через металл и стекло свет и электричество бегут с одинаковой техникой бегуна, но результат их забега будет зависеть от материала тоннеля и собственных усилий бегуна.
Теперь смотрим на картинку частот и длин волн в широком диапазоне жизни.

Диапазон разных частот (frequency) и длин волн (wavelenght)
 
Как видим на картинке выше, с увеличением частоты - невидимое радио-вещество переходит в видимое вещество и далее снова превращается в невидимое для наших глаз "излучение".

Теперь еще одно общее отступление от темы затухания света в оптоволокне.

Слева - это еще раз зависимость длины волны от частоты.

Всё, что есть в этом Мире видимого и невидимого - это только наборы частот.
 
У нас есть встроенные в тело "приборы", улавливающие частоты - это уши и глаза.

Нетрудно узнать, что звуковые волны могут проникать сквозь преграды - достаточно послушать звуки за стеной.
Еще лучше проникают сквозь стены радиоволны. Они имеют более высокую частоту, чем звук.
Но мы уже не слышим радиоволны.

При дальнейшем увеличении частоты получаем микроволны.

Следующий на диапазоне волн - уже видимый спектр волн, начиная от инфракрасного и заканчивая ультрафиолетом. Кстати, говорят, что некоторые люди могут видеть инфракрасное и ультрафиолет.

Но волны видимого спектра почему-то не могут преодолевать то, что преодолевают радиоволны и даже звук. Немного странно для линейного понимания Мира.

Далее идут всякие там рентгеновские лучи - это ультрафиолет + альфа-лучи + бетта-лучи + гамма-лучи.

И на этом увеличение частот в Мире не заканчивается.


Удивительно то, что в видимом спектре частот взаимопроницаемость материалов отсутствует. То есть всё, что мы можем видеть, не может проникать друг в друга. 

Стоит предположить, что всё то, что мы не видим может проникать в то, что мы видим. И это действительно так. Например, сквозь видимые преграды проходят радиоволны, которые находятся на шкале частот до диапазона видимого спектра, и гама-лучи также могут пронизывать видимые предметы, которые находятся уже после диапазона видимого спектра частот на шкале. См. картинку выше - "Диапазон разных частот (frequency) и длин волн (wavelenght)".


Рентгеновские лучи

Теперь вспомним наш "комок света", похожий на комок ваты. С чего бы это я дал такой образ?
А на основе рассуждений про частоты. Не кажется ли вам, что увеличение частоты визуально напоминает уплотнение? Например, в звуковом диапазоне это так:
 
То есть сжатие волны - это как сжатие ваты. Можно даже развить мысль до уплотнения в предмет, но про "это" магическое не в этом посте. Кстати, уплотнение света (удвоение частоты) можно получить с помощью неодимового стекла.Уж не отсюда ли сказки про магические кристаллы? :) Очень интересно...

Наш маленький диапазончик слышимых частот на шкале всех частот находится в районе низких частот.
См. картинку выше - "Диапазон разных частот (frequency) и длин волн (wavelenght)" - там слева.


Попутный вопрос - все плотные тела только в видимом спектре частот? Может параллельно с нами живут другие существа, но в других частотах, и мы проходим их насквозь? :)

Но, не отвлекаемся, а опять возвращаемся к оптоволокну и затуханию света в нем.

Сейчас скажу заумность. Приготовьтесь.
Внимание!


Как мы теперь понимаем, видимый свет проходит только сквозь невидимые нам предметы (частоты невидимого нам Мира), потому что сам находится в видимой части спектра частот. Это логически объясняет прохождение света через прозрачное стекло (и, кстати, любовь магов к ритуалам со стеклянными шарами - получается, что стекло является странным веществом нашего и одновременно не нашего Мира. Во как!).

А с другой стороны эффект прохождения света через невидимое, прозрачное стекло, которое можно потрогать, дает повод глубоко задуматься о нелогичной природе прозрачности. Ведь по идее в нашем видимом Мире прозрачности веществ не должно быть вообще, и это какое-то отклонение от правил частот. К примеру, это как добавлять в прозрачную воду краску, и раствор становился бы постепенно не прозрачным, но вдруг на каком-то этапе раствор снова стал бы прозрачным.

В стакан с водой подмешаны краски

Чудеса, но не только при варке стекла из непрозрачных веществ возникает именно такой эффект появившейся прозрачности, но и при некоторых химических реакциях. Кстати, химические реакции - это тоже сложение частот!

Опять отвлеклись. :) 
В нашем оптоволокне затухание зависит от длины волны, и нас уже не должны пугать термины "частота" и "длина волны", ведь мы уже знаем про частоту и длину волны, как о связанных между собой определениях.

А еще мы знаем о зависимости проницательности среды от длины волны.
На основе всего вышесказанного можно предположить, что затухание сигнала в волокне связано с материалом волокна. И это так и есть. Смотрим на картинку внизу.

Кривая рисует яму. Дно ямы показывает минимум затухания (минимальные потери) - это "окно прозрачности" материала для волн с размером от 0,8 до 1,6 микрон (или от 850 до 1600 нанометров).

Как видим, в общей яме есть еще три диапазона с несколько уменьшенным затуханием.
Наука нам говорит, что потери света происходят от двух факторов - от рассеивания (уход света наружу из волокна) и от "нагрева" стекла (инфракрасное излучение). Причем с ростом длины волны рассеивание уменьшается, а "нагрев", наоборот, возрастает. Разберемся с этим эффектом методом глупых вопросов и предположений.

Итак, не говорит ли "нагревание" (инфракрасное излучение) о том, что такая частота света в волокне и собственная частота материала стекла входят в резонанс? Не говорит ли уменьшение рассеивания света о прекращении "зеркального" сопротивления стекла свету?
И наоборот, увеличение рассеивания света говорит о возрастании непрозрачности стекла, а "нагрев" уменьшается потому, что такая частота света в волокне просто не входит в резонанс с материалом стекла?

Еще мы не остановили внимание на общем сопротивлении "атмосферы" тоннеля, то есть не сказано о длине тоннеля. Думаю, что с этим и так понятно - чем длиннее путь, тем больше устают кони, то есть свет плавно теряет свою энергию.

Ну вот теперь образно мы уже хорошо понимаем природу затухания света в оптоволокне. Остается конкретно привести пример расчета потерь светового сигнала в волокне.

Таблица перевода децибел в проценты и разы
Исходя из таблицы, считаем - насколько велики различия в мощности света на входе и выходе оптоволокна не в децибелах, а в процентах или в разах.

Коэффициент затухания для каждого вида оптического волокна указывается производителями в каталогах, например, так:

3.5 дБ/км для многомодового волокна при длине волны 850 нм
1.5 дБ/км для многомодового волокна при длине волны 1300 нм
0.5 дБ/км для одномодового волокна внешней прокладки при длине волны 1310 нм
0.5 дБ/км для одномодового волокна внешней прокладки при длине волны 1550 нм
1.0 дБ/км для одномодового волокна внутренней прокладки при длине волны 1310 нм
1.0 дБ/км для одномодового волокна внутренней прокладки при длине волны 1550 нм


Обратите внимание, что график зависимости децибел и процентов (раз) не линейный.
То есть 3,5 дБ/км НЕ означает, что сигнал в таком волокне ослаб по мощности на каждом километре своего пути в: 1,25 х 3,5 =  4,375 раз (при длине волны 850 нм).
По правильному надо сначала построить кривую, исходя из "Таблицы перевода децибел в проценты и разы" (см. выше):
 

И у нас визуально получается, что при затухании в 3,5 дБ по кривой означает потерю мощности сигнала примерно в 2,3 раза.
 
Надо еще учитывать, что затухание в волокне может увеличиться после изготовления из него кабеля и еще больше затухание может увеличиться после прокладки кабеля. А также теряется мощность света на стыках в коннекторах.

На этом про затухание сигнала в оптоволокне заканчиваю.
Можно было бы также остановить внимание на разных ухищрениях для получения минимального затухания с помощью разного состава стекла, соотношений толщин световедущей жилы и оболочки, коэффициентов преломления, температур вытяжки, чистоты реактивов, но это уже получилась бы диссертация. А мне никто научную степень не присвоит на основе публикации в блоге.

Кстати за последнее время я перелопатил массу материала по волоконной оптике, химии, физике и так далее с целью освежить свои знания. И столкнулся со множеством примеров непонимания авторами статей самых основ происходящих процессов, поэтому авторы нагромождали формулы и куски непонятных текстов. Даже мне с моим опытом было ужасно трудно понять, что же объясняли такие авторы. Критиковать конкретно никого не буду, люди всё же старались в меру сил.


Бонусом Справка для любознательных из просторов интернета (не помню, где взял):

"Полоса пропускания (о ней мы еще поговорим) определяется в двух разновидностях, оптической и электрической. Оптической полосой пропускания называют наивысшую частоту модуляции, при которой мощность оптической системы снижается на 3 дБ по сравнению с оптической мощностью на более низкой частоте. Из-за процесса преобразования в оптическом детекторе световой энергии в электрическую снижение оптической мощности на 3 дБ дает снижение электрической мощности на 6 дБ. При измерении электрической полосы пропускания используются те же правила, что и для оптической; электрическая полоса пропускания определяется снижением мощности на 3 дБ. Поэтому при необходимости измерения оптической полосы пропускания нужно помнить, что детектор покажет снижение электрической мощности на -6 дБ. Оборудование измерения мощности компенсирует это и покажет правильное значение оптической мощности".

Ну как вам такое определение для начинающего физико-химика? :)

На этом прощаюсь до следующей части.
С уважением, Виктор Мирошкин.

Добрые люди могут поддержать меня в моих литературных трудах материально:


Вебмани
R296895933662 (рубли)
Z148436308623 (доллары)

И еще у меня есть Яндекс кошелек - 41001244246221
Кнопка помощи 

-------------------------------------------------------