Номер 4, страница 141 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

4. В чем преимущество оптоволоконной технологии при передаче световых сигналов?

Оптоволоконная технология основана на передаче информации в виде световых импульсов по тонким диэлектрическим волноводам, называемым оптическими волокнами. Передача сигнала на большие расстояния становится возможной благодаря явлению полного внутреннего отражения. Оптическое волокно состоит из двух основных частей: центральной сердцевины с показателем преломления $n_1$ и внешней оболочки с меньшим показателем преломления $n_2$. Когда луч света входит в сердцевину под углом, большим чем критический угол $\theta_c$, который определяется формулой $\sin(\theta_c) = \frac{n_2}{n_1}$, он полностью отражается от границы раздела сред и распространяется по волокну, практически не теряя энергии.

Основные преимущества оптоволоконной технологии при передаче световых сигналов заключаются в следующем:

Высокая пропускная способность
Частота световых волн на несколько порядков выше частоты электрических сигналов, используемых в медных кабелях. Это позволяет передавать по одному оптическому волокну огромные потоки информации, измеряемые терабитами в секунду ($Тбит/с$). Такая пропускная способность превосходит возможности медных кабелей в тысячи раз, что делает оптоволокно идеальной средой для современных высокоскоростных сетей связи.

Низкое затухание сигнала
Световой сигнал в качественном оптоволокне затухает значительно слабее, чем электрический сигнал в медном кабеле. Типичное затухание в современных волокнах составляет около $0.2 \ дБ/км$, в то время как в медных витых парах оно может достигать десятков $дБ/км$. Это позволяет строить участки связи длиной в десятки и даже сотни километров без необходимости использования промежуточных усилителей (регенераторов), что существенно снижает стоимость и повышает надежность системы.

Устойчивость к электромагнитным помехам
Поскольку оптическое волокно изготовлено из диэлектрического материала (стекла или пластика) и передает свет, а не электрический ток, оно полностью невосприимчиво к внешним электромагнитным полям. На сигнал не влияют работающие рядом электродвигатели, линии электропередач, радиопередатчики или грозовые разряды. Это обеспечивает очень высокую чистоту и стабильность сигнала.

Высокая информационная безопасность
Перехватить сигнал из оптоволоконного кабеля крайне сложно и практически невозможно сделать это незаметно. Любое воздействие на кабель с целью несанкционированного подключения вызовет изменение параметров светового сигнала (затухание, отражение), которое будет немедленно обнаружено на принимающем конце линии. В отличие от медных кабелей, излучающих электромагнитное поле, которое можно считать удаленно, оптоволокно не имеет такого излучения.

Малый вес и размеры
Оптоволоконный кабель, содержащий множество волокон, значительно тоньше и легче, чем медный кабель с аналогичной пропускной способностью. Например, диаметр одного волокна с оболочкой составляет около 125 мкм. Это преимущество особенно важно при прокладке кабелей в ограниченном пространстве, например, в существующих кабельных канализациях, зданиях, на самолетах и кораблях.

Долговечность и экономичность
Сырьем для производства оптических волокон служит кварц (диоксид кремния, $SiO_2$), один из самых распространенных на Земле материалов. В отличие от меди, цена на которую подвержена значительным колебаниям, стоимость сырья для оптоволокна стабильна и невысока. Стекловолокно не подвержено коррозии и окислению, что обеспечивает срок его службы более 25 лет.

Ответ: Преимущество оптоволоконной технологии заключается в сочетании чрезвычайно высокой пропускной способности, позволяющей передавать огромные объемы данных, с низким затуханием сигнала, что дает возможность строить протяженные линии связи. Кроме того, к важнейшим преимуществам относятся полная невосприимчивость к электромагнитным помехам и высокая степень защиты передаваемой информации от несанкционированного доступа.