четверг, 11 февраля 2016 г.

14. Волоконная оптика - прикольное изобретение человечества. часть 14

В этой части посмотрим на полосу пропускания в волоконной оптике. Но я по-прежнему буду смотреть на науку глазами чайника, чтобы из моих записей всем было понятно, о чем речь идет, даже бабушке.

Сытая старость должна стать нормой
Итак, полоса пропускания и ее ширина - на слух кажется, что это некоторый абстрактный проход с ограниченными возможностями, где не всех пускают? Посмотрим.

Вы думаете, что для оптоволокна всё рассчитывается заранее? Оказывается нет. Для каждого нового "игольного ушка" надо не научно, а методом тыка (опытным путем) определять ширину пропускания, то есть через каждый новый "предмет с дырой" протаскиваются пучки "всякой ерунды" с целью проверить прохождение этой "ерунды" в "дыру" без потерь.

Ширина полосы пропускания забора равна одному телу в единицу времени.
Естественно, собачек пробежит за то же время здесь побольше, а кошек еще больше.
Как видим на картинке выше, правильное количество проникших за сетку можно определить только тогда, когда лазутчики не рассеиваются за сеткой в разные стороны. А узнать полностью о целях группы можно только при максимальном количестве задержаний лазутчиков, проникших через дыру в заборе. В общем ловить надо всех.

Примерно так же можно рассматривать и условия прохождения света с информацией по оптоволокну - чрезмерное рассеивание лучей света за пределы волокна уменьшает мощность сигнала, а дисперсия лучей, то есть распадение каждого луча на пучок лучей, смазывает четкую картинку сигнала, что мешает распознаванию приносимой информации. См. картинку ниже.


Сигнал на выходе искажен, смазан - это результат дисперсии света в волокне

Напомню, что такое дисперсия образно - это распадение на составляющие (рассеивание).

Дисперсия света при прохождении через призму
Немного науки.
Окунемся теперь в несколько сложное - сразу посмотрим на принятый способ измерять ширину полосы пропускания. Это показывает картинка ниже. Просто смотрим и не пугаемся. Ниже объясняю:

Смысл картинки такой -  ширина полосы пропускания определяется областью приема устойчивого сигнала, не менее определенного уровня. То есть на картинке это от 300 Гц до 3400 Гц, что равно ширине полосы пропускания: 3400 - 300 = 3100 Гц.

Еще на картинке мы видим подсказку, что в расчетах сначала от высшего уровня сигнала отрезается шапка, равная 3 дБ, то есть (как мы рассматривали про децибелы ранее здесь - http://velemudr.blogspot.ru/2016/02/13-13.html) сигнал примерно срезается в 2 раза по сравнению с самым высоким уровнем.

У нас в повествовании появилась единица измерения - Гц.
Рассмотрим, что же такое - герцы. Это надо знать, ведь каждая непонятка становится фальшивым кирпичиком в нашем дворце знаний. А с фальшивыми материалами надежное здание не построить.

Герц (Гц, Hz) - это одно колебание в секунду. Можно сказать, одно подмаргивание, один взмах рукой и т.д.
Герц придумал герц

Надо сказать, что при изучении любого материала следует не просто обращать внимание на непонятные места, но надо еще и пытаться раздробить непонятное на части. А затем каждую частицу непонятного следует представить в виде ясного образа, чтобы отчетливо представлять предмет изучения.

Глупо зазубривать "формулу" или "определение" без глубокого осознания - не следует копить внутри себя мертвый груз неприменимого в жизни знания в виде формул и сухих непонятных определений.

Как пример дробления проблемы на части возьмем разбираемое сейчас понятие "ширина полосы пропускания" и зададимся разными вопросами, близкими к этой теме:
1. Как полоса пропускания зависит от дисперсии?
2. Как она зависит от затухания?

3. При чем здесь частота и длина волны?
4. Как влияют свойства стекла?
5. Как влияет мощность света?
И так далее.


Этих вопросов уже хватит, чтобы кое-что для себя усвоить более основательно из интересной области, чем просто запоминать формулы.

А в жизни основательные знания пригодятся для более быстрого понимания новых проблем, ведь часто разные области знаний пересекаются между собой. 

Например, электричество и оптика оперируют похожими понятиями - частотой, мощностью, амплитудой, силой и т.д. Будете понимать электричество, быстро поймете и оптику. И наоборот.

Получившиеся сами собой вопросы можно уже "копать" как можно глубже. Зависит от желания и настойчивости. Я пока продолжу разбираться с дисперсией. Причем буду это делать практически на ваших глазах, то есть буду сходу искать природу этого явления, рассуждая логически по методике чайника.
 
Сначала набираю примерную информацию. Как я уже говорил ранее, всё вокруг - это частоты и мы тоже. Получается, что стекло - это тоже частоты, то есть некоторые вибрации, как бы застывшие в общей структуре. В кварце есть кремний. Хотелось бы посмотреть на частоту его колебаний, и как это мне поможет понять дисперсию.
Для этого догадываюсь взять таблицу Д.И.Менделеева.
Таблица Д.И.Менделеева
Нахожу атомный номер Кремния - Si = 14 (атомный номер). Сравниваю с соседями.
Спрашивается, зачем мне это? Просто я уже знаю про зависимость длины волны элемента от его атомного номера в таблице, и что чем больше атомный номер элемента (больше вес атома), тем меньше длина волны этого элемента. То есть, например, у Титана частота выше (длина волны меньше) и вес больше, чем у Кремния.

Также товарищем Рентгеном было обнаружено, что "рентгеновское" излучение, невидимое для человека, поглощается в непрозрачных объектах тем сильнее, чем больше их атомный номер (см таблицу Менделеева), то есть выше плотность преграды. Запомним эти факты.

Теперь возвращаемся к дисперсии. Кварцевое стекло, как известно - это SiO2. А также в состав светопроводящей жилы могут входить оксиды германия (GeO2), фосфора (P2O5), бора (B2O3), а также фтор (F), эрбий (Er) и неодим (Nd). В частности, фтор и окись бора уменьшают показатель преломления жилы, а окись германия и окись фосфора его увеличивают.
Пока не пугаемся химии.

Дисперсия, как нам уже известно, это разбивание луча на несколько лучей. И происходит это при переходе луча из одного слоя стекла в другой, то есть на границе двух слоев стекла с разным коэффициентом преломления. Луч как бы натыкается на преграду и рассыпается на составляющие, больше или меньше отклоняясь от начального направления.

Теперь складываем в голове найденные ранее факты в виде пазлов и пробуем в первый раз слепить готовую, понятную на образном уровне картинку про дисперсию:

1. Условно у нас есть некий "сгусток частот", который мы воспринимаем как стекло. Внутрь него ломится другая "частота" в виде света. В итоге частота света с трудом пробегает по тоннелю из других частот и по пути расслаивается на несколько частот (как белый свет распадается на цвета радуги после призмы).

2. Судя по таблице Менделеева, Si и Ge стоят рядом. Причем они оба "металлоиды" - нечто неопределенное между металлами и неметаллами. Из них сделана световедущая жила. А также в жиле есть кислород.

3. Из предыдущих частей этой статьи получается так, что если луч бежит прямо, не виляя, по однородной среде, он и не расслаивается. Это известно из опытов.

Резкий поворот вызывает рассеивание энергии

 Напомню теперь для тех, кто не знает, что такое "коэффициент преломления":
По смыслу одна часть падающего луча отражается, а другая проходит дальше,
но отклоняется на некоторый угол из-за разницы условий проживания луча в новой среде обитания.
То есть коэффициент преломления означает величину отклонения луча от прежнего курса
На ум еще почему-то приходит бильярд...


Первый вывод про дисперсию - надо как бы избегать резких отклонений луча от прямого пути в волокне. В идеале луч идет только прямо по одномодовой жиле - стержню.


А у многомодового волокна структура жилы выглядит как матрешка - словно каждая тонкая трубка вложена в трубку меньшего диаметра и так до самого центрального стержня, то есть на срезе такого волокна имеются кольца, похожие на годовые кольца на срезе дерева.
Годовые кольца на срезе дерева
У волокна коэффициенты преломления соприкасающихся слоев не должны резко отличаться друг от друга. Лучше пускай будет много слоев, но получим плавный переход коэффициента преломления от слоя к слою, чем мало слоев, но с резкими перепадами коэффициентов преломления (со ступеньками).



Смотрим на профили волокна ниже, показывающие коэффициенты преломления слоев стекла в оптоволокне:

Измерение показателя преломления в волокне по слоям дает такие картинки.
Справа реальный профиль, показывающий провал коэффициента преломления в центре волокна.


Кстати, в мою бытность технологом, я пробовал проверять догадку о зависимости плавности смещения луча при проходе между слоями и полосой пропускания. И действительно получал улучшение полосы пропускания, когда увеличивал количество слоев. При этом от слоя к слою коэффициент преломления изменялся плавнее.

На этом про дисперсию хватит, ведь я не ставлю задачу научить вас химии и физике в производстве оптического волокна. Я хочу донести до вас только принципы размышления над проблемами. Хотя не исключаю, что по ходу написания статей будут появляться из под моего пера и некоторые новые откровения в науке. Почему нет?

Отвечаю на первый вопрос из поставленных мною выше - Как полоса пропускания зависит от дисперсии?

Дисперсия - это рассеивание по смыслу. Если на определенной частоте рассеивание маленькое, то, естественно, луч не размазывается, сигнал хорошо распознается. Таким образом эта частота своим присутствием расширяет имеющийся диапазон. И чем больше таких частот, тем шире полоса пропускания.

Компьютерный шлейф в качестве примера - чем шире,
тем больше информации можно через него пропустить за единицу времени.


Продолжение в следующей части. Там я расскажу о моем новом видении синусоид.

Благодарю за внимание.
С уважением, Виктор Мирошкин.