როგორ რჩება სინათლე ბოჭკოს შიგნით
რიჩარდ ჰამინგი ოპტიკური ბოჭკოების ახალი ტექნოლოგიის წინადადებას წააწყდა და დაუყოვნებლივ დასვა ფიზიკოსის კითხვა: რატომ რჩება სინათლე წელი მინის ბოჭკოს შიგნით?
სნელის კანონი
როდესაც სინათლე გარდის ერთი საშუალოდან გარდატეხის მაჩვენებელი n₁ -ით სხვა საშუალოში გარდატეხის მაჩვენებელი n₂-ით, გაცემული კუთხე θ₂ აკმაყოფილებს:
n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂
მინის (n₁ ≈ 1.5) ჰაერში (n₂ = 1.0), sin θ₂ = (n₁/n₂) sin θ₁ = 1.5 sin θ₁.
როდესაც sin θ₁ აჭარბებს n₂/n₁ = 1/1.5 ≈ 0.667, θ₂-ს რეალური ამოხსნა არ არსებობს. სინათლე საერთოდ ვერ გამოვა მინიდან. ყველა ფოტონი ბრუნდება მინის შიგნით. ეს ზღვარი არის კრიტიკული კუთხე:
θ_c = arcsin(n₂/n₁)
მინის-ჰაერის: θ_c = arcsin(1/1.5) ≈ 42°. ნებისმიერი სხივი, რომელიც ударяет მინის-ჰაერის ინტერფეისზე კუთხით, რომელიც 42°-ზე მეტია ნორმალიდან, სრულად ასახვის. ნულოვანი გადაცემა. ნულოვანი დანაკარგი საზღვარზე.
კრიტიკული კუთხის გამოთვლა
კრიტიკული კუთხე დამოკიდებულია მხოლოდ გარდატეხის მაჩვენებელთა თანაფარდობაზე. ბოჭკოს დიზაინი იყენებს მაღალი-ინდექსის ბირთვს (n₁) დაბალი-ინდექსის გარსით (n₂) შემოსილს. სინათლე, რომელიც ბირთვში გაძელებული არის, ხტება საზღვრებს შორის ყოველ ჯერზე, როდესაც მისი კუთხე აჭარბებს θ_c.
რატომ ნაკლები დიამეტრი? ჰამინგმა ეს პირდაპირ აღნიშნა. უფრო სქელი ბოჭკო უფრო ნაზად იკეკლება მოცემული მრუდის რადიუსზე. უფრო თხელი ბოჭკო შეიძლება მიჰყვეს უფრო მკრთალ მრუდს, სანამ ინციდენტის კუთხე θ_c-ს ზემოთ რჩება. ნაკლები დიამეტრი ასევე ამცირებს სიგნალის დამახინჯებას (მოდალური დისპერსია) დიდ მანძილებზე.
გამტარიანობა, დასუსტება & იმუნიტეტი
ჰამინგმა ზე ჩამოთვალა ინჟინერული უპირატესობები, რამაც განაპირობა ოპტიკური ბოჭკოების გარდაუვალი გაბრძოლება:
უფრო მაღალი გამტარიანობა. ოპტიკური სიხშირეები (≈10¹⁴ Hz) აღემატება მიკროტალღური და რადიო სიხშირეებს. მეტი ციკლი წამში ნიშნავს მეტი ინფორმაციას წამში. ერთი ოპტიკური ბოჭკოს თხელი ძაფი გადაეცემს უფრო მეტ ერთდროულ არხს, ვიდრე სპილოს კაბელი.
დაბალი დასუსტება. თანამედროვე სილიკატის ბოჭკო ხარჯავს დაახლოებით 0.2 დB/კმ. სპილოს კოაქსიალური კაბელი ხარჯავს 10–100× მეტი თითოეულ კილომეტრზე. ოპტიკური ბოჭკო ატმოსფეროს ოკეანეებს გადაკვეთავს უფრო ცოტა გამეორებლით.
ელექტრომაგნიტური იმუნიტეტი. ოპტიკური ბოჭკო არ გადაკვეთავს ელექტრულ დენს. ელვა, რომელიმე ელექტრული ხაზი და თუნდაც ატომური ბომის დეტონაცია ზედა ატმოსფეროში წარმოქმნიან ელექტრომაგნიტურ პულსებს, რომლებიც ანადგურებენ სპილოზე დაფუძნებულ კომუნიკაციას. ოპტიკური ბოჭკო მათ უგულელყოფს. ჰამინგმა აღიარა ეს უპირატესობა გამოთვლებით, რომელსაც ის დელკა ქიმიის ჯგუფის სთვის აკეთებდა.
გრადირებული-ინდექსის გამოსავალი. მკრთალი ბირთვ-გარსის საზღვარი იწვევს მოდალურ დისპერსიას: განსხვავებული სხივის კუთხეები მოძრაობენ განსხვავებული პути სიგრძის, გაფართოებული პულსი. ჰამინგმა აღიარა, რომ გარდატეხის ინდექსის დახასიათება (იგივე პრინციპი, რომელიც ძლიერი ფოკუსირება ციკლოტრონებში) მოხრილი სხივები მუდმივად ცენტრში, აღმოფხვრილი მკრთალი ასახვა & შემცირებული დისპერსია.
ჰამინგის უსაფრთხოების შეხედულება
ჰამინგმა აკეთა დაკვირვება, რომელიც თავიდან ბრაზი არ იყო კომუნიკაციის ინჟინერებისთვის, რომლებიც ოპტიკური ბოჭკოების განვითარებაზე მუშაობდნენ: იგივე თვისება, რომელიც ოპტიკური ბოჭკოების ეფექტურობას აქცევს, აკეთებს მას უსაფრთხოსაც.
> ბოჭკოები იმდენად ეფექტური არის, რაც ნიშნავს, რომ ისინი წაკვეთენ იმდენად ცოტა ფოტონს, 'მოტყუება' ხაზი იქნება რთული საქმე. არა რომ ეს შეუძლებელი იყოს, მხოლოდ ეს იქნება რთული.
ოპტიკური ბოჭკოს მოტყუებისთვის, შემტევებმა უნდა მოხაკოს ის საკმარისი სტიმულით სიგნალი გაზე. მაგრამ მოხაკოს საკმარისი სიგნალი გაზე არის აღმოჩენა: მიმღები აკვირდება სიგნალის სიძლიერის ცემვით. სპილოზე განხეთქებული სკანირებით, რომელი პასიური ტიპი მხოლოდ ცოტა დენს იმოძრავებს, ოპტიკური ბოჭკო გაძლევს ფიზიკურ მტკიცებულებას ჩავარდნილობის შესახებ.
ეს იყო ორმხრივი გამოყენების შეხედულება: ჰამინგმა აღიარა უსაფრთხოების თვისება, სადაც ფიზიკას დაფიქრდა. გაკვეთილი, რომელსაც მან გაიკეთა: ტექნოლოგიის ფიზიკის შესწავლა ხშირად ავლენს თვისებებს, რომლებიც ინჟინერებმა, რომლებიც მთავარი აპლიკაციაზე ფოკუსირებენ, ოდნავ დაკაკლებენ.
ჰამინგის პოზიცია მოდელის დებატაში
ჰამინგმა აღიარა, რომ მან არ მიჰყვა ყველა პუნქტი ერთ-მოდელი რომ მრავალ-მოდელი ოპტიკური ბოჭკოს დებატაში. მან გაუშვა სიმულაციები ორივე მხარეს და ბოლოს მხარი დაუჭირა ერთ-მოდელს ის თქვენ ტერიტორიაზე, რომელიც მისი დელკა ორობითი სიგნალის პარამეტრიზაციის წინააღმდეგ მრავალ-დონის სიგნალიზაციის თავდაპირველი კარიერის განმავლობაში.
მრავალ-მოდელი ოპტიკური ბოჭკო იძლევა მრავალი გავრცელების კუთხე (მოდელი) ერთდროულად. უფრო მარტივი უნდა აწარმოებს, უფრო მარტივი სინათლის დასაბრუნებელი, ტოლერანსები უფრო კონექტორი უხეშობა. მაგრამ მოდელის დისპერსია გაფართოებული პულსი მანძილების მეტა.
ერთ-მოდელი ოპტიკური ბოჭკო შედეგ სინათლე ერთი გავრცელების გზა. მოითხოვს ძალიან მცირე ბირთვის დიამეტრი (≈8 µм ტელეკომისთვის). ბევრი უფრო რთული ნაკერი & კონექტორი. მაგრამ ნულოვანი მოდელის დისპერსია: პულსი რჩება მკრთალი ათასი კილომეტრების გასწვრივ.
დაბედი გამარჯვება მაღალი-ტევადობის, გრძელი-მანძილი გადაცემა: ერთ-მოდელი. ჰამინგის საფეტე სიმარტივის — ნაკლები მოდელი, ერთი გზა, არა მოდელის დისპერსია — ესწორა შემდგომი ინჟინერული შედეგი.