Номер 1, страница 156 - гдз по физике 8 класс учебник Исаченкова, Громыко

1. Волоконная связь: настоящее и будущее.

Волоконная связь, или волоконно-оптическая связь, — это технология передачи информации с использованием световых сигналов, распространяющихся по оптическим волокнам. Эта технология стала основой современных телекоммуникационных сетей благодаря своим уникальным преимуществам перед традиционными медными кабелями.

Настоящее

В настоящее время волоконная связь является доминирующей технологией для построения магистральных сетей передачи данных. Её текущее состояние характеризуется широким внедрением, зрелостью технологий и постоянным ростом пропускной способности.

Основные принципы и компоненты:

• Принцип работы: Основан на явлении полного внутреннего отражения света. Световой сигнал, вводимый в сердцевину оптического волокна под определённым углом, многократно отражается от границы между сердцевиной и оболочкой (имеющей меньший показатель преломления), распространяясь на большие расстояния с минимальными потерями.
• Ключевые технологии: Активно используется технология спектрального уплотнения каналов (WDM/DWDM), которая позволяет одновременно передавать по одному волокну множество независимых информационных потоков на разных длинах волн (разных цветах света). Это многократно увеличивает пропускную способность кабеля.
• Компоненты систем: Современные системы состоят из источников света (лазерные диоды), оптических волокон (одномодовых для дальних расстояний и многомодовых для коротких), оптических усилителей (например, EDFA — усилители на волокне, легированном эрбием) для восстановления мощности сигнала без преобразования в электрическую форму, и фотоприёмников, преобразующих свет обратно в электрический сигнал.

Области применения:

• Глобальный интернет: Трансокеанские и трансконтинентальные подводные кабели, составляющие основу глобальной сети, являются волоконно-оптическими.
• Сети доступа: Технологии FTTx (Fiber to the x), в частности FTTH (Fiber to the Home — оптика в дом/квартиру) и FTTB (Fiber to the Building — оптика в здание), обеспечивают высокоскоростной доступ в интернет для миллионов пользователей по всему миру.
• Центры обработки данных (ЦОД): Волоконная оптика является стандартом для соединения серверов, систем хранения данных и коммутаторов внутри ЦОДов и для связи между ними, где требуются сверхвысокие скорости и низкие задержки.
• Телевидение и телефония: Операторы кабельного ТВ и телефонные компании используют волоконно-оптические линии для передачи сигналов на большие расстояния до районных узлов.

Преимущества и вызовы настоящего:

Главные преимущества — огромная пропускная способность (терабиты в секунду), низкое затухание сигнала (десятки километров без усиления), высокая помехозащищённость от электромагнитных полей и информационная безопасность. Основным вызовом остаётся высокая стоимость прокладки "последней мили" до конечного потребителя и необходимость в специализированном оборудовании и квалифицированном персонале для монтажа и обслуживания.

Ответ: В настоящее время волоконная связь является фундаментальной технологией для глобальных и городских сетей передачи данных, обеспечивая высокоскоростной интернет, работу ЦОД и другие телекоммуникационные услуги. Её развитие сосредоточено на увеличении пропускной способности существующих сетей с помощью технологий спектрального уплотнения (DWDM) и расширении сетей доступа FTTx.

Будущее

Будущее волоконной связи связано с преодолением существующих ограничений по пропускной способности, снижением задержек и энергопотребления, а также с появлением принципиально новых областей применения.

Технологические прорывы:

• Пространственное уплотнение (Space-Division Multiplexing, SDM): Это следующий шаг после WDM. Вместо передачи данных по одному "пути" (сердцевине) внутри волокна, технологии SDM предполагают использование многожильных (multi-core) или многомодовых (few-mode) волокон. Это эквивалентно прокладке нескольких волокон в одной оболочке, что позволяет кратно увеличить ёмкость кабеля и приблизиться к скоростям в петабитах в секунду ($10^{15}$ бит/с).
• Волокна с полой сердцевиной (Hollow-Core Fibers, HCF): В таких волокнах свет распространяется по воздуху (или вакууму) внутри тонкого полого канала. Поскольку скорость света в воздухе примерно на 30% выше, чем в стекле, HCF обещают радикальное снижение задержки сигнала. Это критически важно для сетей 5G/6G, высокочастотного трейдинга, облачных вычислений и распределённых систем искусственного интеллекта. Также ожидается, что такие волокна будут иметь меньшие нелинейные искажения и затухание.
• Интегральная фотоника: Развитие кремниевой фотоники позволит интегрировать все оптические компоненты (лазеры, модуляторы, детекторы) на одном кремниевом чипе. Это приведёт к созданию более компактных, дешёвых и энергоэффективных приёмопередатчиков, что ускорит внедрение оптики повсеместно.

Новые сферы применения:

• Квантовые коммуникации: Волоконно-оптические сети станут средой для построения систем квантового распределения ключей (QKD), обеспечивающих абсолютную защищённость каналов связи, основанную на законах физики.
• Инфраструктура для 5G и 6G: Будущие поколения мобильной связи потребуют сверхплотной сети базовых станций, соединённых между собой волоконно-оптическими линиями для обеспечения гигабитных скоростей и миллисекундных задержек.
• Оптика как сенсор: Уже существующие и будущие волоконно-оптические кабели будут всё шире использоваться в качестве распределённых сенсоров. Анализируя отражённый в волокне свет, можно с высокой точностью определять вибрации, температуру и деформации на протяжении сотен километров. Это открывает возможности для мониторинга состояния трубопроводов, мостов, железных дорог, обнаружения сейсмической активности и охраны периметров.

Вызовы будущего:

Основной фундаментальный вызов — преодоление так называемого нелинейного предела Шеннона, который ограничивает максимальное количество информации, передаваемой по стандартному одномодовому волокну из-за нелинейных оптических эффектов. Также актуальными остаются задачи по снижению стоимости производства и монтажа новых типов волокон и повышению энергоэффективности сетей на фоне экспоненциального роста трафика.

Ответ: Будущее волоконной связи направлено на многократное увеличение пропускной способности за счёт новых типов волокон (многожильных, с полой сердцевиной) и технологий пространственного уплотнения (SDM). Ключевыми трендами станут снижение задержки, интеграция с квантовыми технологиями, создание сенсорных сетей на базе телекоммуникационной инфраструктуры и обеспечение потребностей сетей 5G/6G.