Возможности современных волоконно-оптических линий связи.
Волоконная оптика уже давно используется как коммуникационная среда,
соединяющая электронные устройства. Теперь возможности современной
волоконно-оптической связи позволяют организовать интерфейсы между компьютером
и его периферийными устройствами, между серверами в центрах обработки данных,
для передачи данных от платы к плате, от микросхемы к микросхеме и от элемента
к элементу внутри самой микросхемы. Применение волоконной оптики связано с преобразованием электрического
сигнала в световой, и обратно. Стоимость волоконной оптики достаточно высока,
но преимущества волоконной оптики, определяемые уникальными характеристиками
оптоволокна, делают его наиболее подходящей передающей средой во множестве
различных областей техники. Эти уникальные характеристики оптоволокна органично
согласовываются, позволяя передавать данные с высокой скоростью на очень
большие и очень короткие дистанции, и с очень большой надежностью.
Оптоволоконные линии обеспечивают:
- широкую
полосу пропускания линии;
-
нечувствительность линий к электромагнитным помехам;
- низкие
потери;
- малый
размер и малый вес;
-
секретность и безопасность.
Конечно, важность каждого из
этих достоинств зависит от конкретного применения оптоволоконных линий. В одном
случае важна безопасность и секретность передачи данных, которые легко
обеспечиваются при использовании волоконной оптики. В других случаях самыми
ценными характеристиками являются широкая полоса пропускания и низкие потери.
Потребности общества в передаче все больших и больших объемов информации электронным
способом постоянно увеличиваются. Увеличение полосы пропускания передающей
среды и частоты несущей потенциально увеличивают возможности передачи
информации.
Применение лазера, в котором свет используется в качестве несущей, сразу
увеличило потенциальный диапазон на четыре порядка (до 100 000 ГГц или 100
ТГц). Теоретически волоконная оптика может работать в диапазоне до 1 ТГц,
однако практически используемый в настоящее время диапазон частот еще
достаточно далек от этих предельных значений. Применяемая сегодня полоса
пропускания волоконной оптики значительно превосходит аналогичный параметр
медного кабеля. Коммуникационные возможности волоконной оптики еще только
начинают развиваться, в то время как возможности медного кабеля достигли своего
верхнего предела. Скорость передачи по одной "медной" магистрали
можно увеличить вплоть до 10 Гбит/с, но это значение является теоретическим
пределом для "медной пары".
Оптические волокна не излучают и не воспринимают
электромагнитные волны, они являются идеальной средой. Волоконно-оптические
линии могут быть проложены совместно с высоковольтными, - наводки от
высоковольтных линий на них не влияют, световые сигналы не искажаются.
Государство и бизнесмены каждый год затрачивают большие средства на
защиту своих секретов и шифрование передаваемых сообщений. Подсоединение к
проводу, перехват радиоволн, излучаемых работающим оборудованием или кабелем -
вот варианты перехвата секретной информации. Оптическое волокно является
сверхбезопасной средой для передачи информации. Оно не излучает волны, которые
могут быть получены близкорасположенной антенной. Злоумышленнику подсоединиться
к оптоволокну крайне тяжело, поэтому правительственные и деловые круги
рассматривают оптическое волокно как информационную среду, обеспечивающую
надежную защиту передаваемой секретной информации.
Оптическое волокно при
передаче компьютерных данных, информации телефонных разговоров и т. п. играет
ту же роль, что и медный провод, но по волокну переносится свет, а не
электрический сигнал. Средой переносящей информацию является оптическое волокно
(тонкая стеклянная или пластиковая нить). В связи с этим и появляется множество
важных преимуществ, что позволяет использовать оптическое волокно как несущую
среду в различных областях техники - от компьютеров, телефонии и до сложных
систем автоматизации.
Волоконно-оптическая система
представляет собой линию, связывающую две электрические цепи. На рис. 1
представлены основные элементы волоконно-оптической линии:
- передатчик состоит из схем
устройства управления и источника оптического сигнала (светоизлучающий или
лазерный диод), который преобразует электрический сигнал в световой.
Управляющее устройство преобразует входной сигнал в вид, необходимый для
управления источником;
- волоконно-оптический кабель
состоит из оптоволокна и защитных оболочек и является средой, по которой
распространяется световой сигнал;
- приемник предназначен для
приема светового сигнала и его преобразования в электрический сигнал. Приемник
состоит из детектора, непосредственно выполняющий функцию преобразования
сигналов, и выходного устройства, которое формирует и усиливает электрический
сигнал;
-
коннекторы (соединители) используются для подключения волокон к источнику,
детектору и для соединения волокон между собой.
Рис. 1. Основные
элементы волоконно-оптической линии связи.
В состав более сложных линий и коммуникационных сетей входят и другие
элементы, такие как разветвители, мультиплексоры и распределительные
устройства, но в любой волоконно-оптической линии обязательно используются
передатчик, волокно, приемник и соединители.
Волоконная оптика позволяет
передавать информацию с существенно более высокими скоростями по сравнению с
медными кабелями и имеет гораздо более приемлемую стоимость и меньше
ограничений, чем другие технологии. Свет, согласно классической теории физики,
распространяется с очень высокой скоростью, превысить которую невозможно.
Именно поэтому современные производители полупроводников смотрят на свет как на
практически идеальный "материал" для создания сверхбыстрых и
сверхмощных процессоров. Единственная причина, из-за которой оптические
технологии до сих пор не применялись в производстве микросхем, заключается, как
это ни парадоксально, именно в слишком высокой скорости света (точнее, в
невозможности её уменьшения). Именно эта "неконтролируемость"
скорости оптических потоков стала главным, и единственным, камнем преткновения,
не позволяющим чипмейкерам отказаться полностью от медных полупроводников. На
поиск решения проблемы ушли годы, но специалистам компании IBM удалось-таки
решить и эту проблему. Поскольку сокращение скорости фотонов - задача
невыполнимая, учёные решили просто-напросто увеличить длину маршрута, который
проходит сигнал и, таким образом, искусственно замедлить поток. Именно этот
несложный принцип лёг в основу так называемого микрокольцевого резонатора,
применение которого открывает чипмейкерам неплохие перспективы.
Проходя эти многочисленные
кольца, фотоны добираются до приёмника с задержкой, чего, собственно, и
добивались инженеры. Таким образом, двигающийся по направлению к приёмнику
оптического сигнала поток световых частиц при необходимости насильно
перенаправляется в резонатор, отсрочивая тем самым своё прибытие в конечный
пункт (вместо прямой и короткой дистанции фотонам придется проделать огромный
путь, преодолевая круги). Такой своеобразный буфер позволяет управлять фотонами
и задерживать их попадание в приёмник на столько, на сколько требуется.
Микрокольцевой резонатор можно разместить на площади около 0,03 мм2, поэтому
встроить его в процессор проблем не составит. Если эксперименты с
"медленным светом", начатые сотрудниками компании IBM, окажутся
успешными и в будущем, то не исключено, что уже через несколько лет компания
представит первый прототип чипа, выгодно отличающийся от своих нынешних
полупроводниковых собратьев не только скоростью работы, но и ценой, а также
куда меньшим тепловыделением.
Волоконно-оптические линии
позволяют решить ряд проблем возникающих в связи с использованием многоядерных
процессоров и изготовлением электронных схем с их применением. Стоимость
технологии оптических соединений на сверхкоротких расстояниях существенно
возрастает из-за использования компонентов на основе арсенида галлия и германия
- более дорогостоящих, чем кремний. Кроме того, технология оптических проводников
по сравнению с традиционной методикой требует более тонкой юстировки (т. е.
взаимного выравнивания интегральных компонентов оптической подсистемы), что
значительно усложняет разработку и производство оптического оборудования. Как
следствие, текущие исследования в данной области главным образом сосредоточены
на повышении экономической эффективности технологии, особенно с точки зрения
производства. Таким образом, можно констатировать, что оптические
межкомпонентные соединения смогут повсеместно заменить электрические проводники
тогда, когда будет достигнут приемлемый показатель цена/производительность, а
также более высокий уровень производственных возможностей. Высокоскоростные
межкомпонентные соединения являются одним из важнейших условий для построения
быстродействующих перспективных вычислительных систем.
Версия сайта для слабовидящих