Osnovno znanje optičkih vlakana

Izum optičkih vlakana pokrenuo je revoluciju u području komunikacije. Ako nema optičkih vlakana koja bi osigurala kanale velikog kapaciteta velikog kapaciteta, Internet može ostati samo u teorijskoj fazi. Ako je 20. stoljeće bilo doba električne energije, tada je 21. stoljeće doba svjetla. Kako svjetlo postiže komunikaciju? Naučimo osnovno znanje o optičkoj komunikaciji zajedno s uređivačem u nastavku.

1. dio. Osnovno znanje o širenju svjetlosti

Razumijevanje svjetlosnih valova
Lagani valovi su zapravo elektromagnetski valovi, a u slobodnom prostoru valna duljina i frekvencija elektromagnetskih valova obrnuto su proporcionalni. Proizvod njih je jednak brzini svjetlosti, to jest:

Rasporedite valne duljine ili frekvencije elektromagnetskih valova kako biste stvorili elektromagnetski spektar. Prema različitim valnim duljinama ili frekvencijama, elektromagnetski valovi mogu se podijeliti u područje zračenja, ultraljubičastu regiju, regiju vidljivog svjetla, infracrvenu regiju, mikrovalnu regiju, regija radio vala i područje dugog vala. Trake koji se koriste za komunikaciju uglavnom su infracrvena regija, mikrovalna regija i regija radio vala. Sljedeća slika pomoći će vam da shvatite podjelu komunikacijskih opsega i odgovarajuće medije za širenje u nekoliko minuta.

Protagonist ovog članka, "Optička komunikacija vlakana", koristi svjetlosne valove u infracrvenom bendu. Kada je riječ o ovom trenutku, ljudi se mogu zapitati zašto to mora biti u infracrvenom bendu? Ovo je pitanje povezano s optičkim gubitkom materijala za optičke vlakna, naime staklo silika. Zatim moramo shvatiti kako optička vlakna prenose svjetlost.

Refrakcija, odraz i potpuni odraz svjetlosti

Kad se svjetlost emitira iz jedne tvari u drugu, refrakcija i refleksija se javljaju na sučelju između dviju tvari, a kut refrakcije povećava se s kutom incidentne svjetlosti. Kao što je prikazano na slici ① → ②. Kad incidentni kut dosegne ili premaši određeni kut, refrakcirana svjetlost nestaje i sva se incidentna svjetlost odražava natrag, što je ukupni odraz svjetlosti, kao što je prikazano u ② → ③ na sljedećoj slici.

Različiti materijali imaju različite indekse loma, tako da brzina širenja svjetlosti varira u različitim medijima. Indeks loma predstavljen je s N, N = C/V, gdje je C brzina u vakuumu, a V brzina širenja u mediju. Medij s većim indeksom loma naziva se optički gustim medijem, dok se medij s nižim indeksom loma naziva optički rijetki medij. Dva uvjeta za totalni odraz su: su:
1. Prijenos s optički guste medije do optički rijetkog medija
2. Kut incidenta je veći ili jednak kritičnom kutu ukupnog refleksije
Kako bi se izbjeglo propuštanje optičkog signala i smanjio gubitak prijenosa, optički prijenos u optičkim vlaknima javlja se u ukupnim uvjetima refleksije.

Dio 2. Uvod u optički medij za širenje (optička vlakna)

Optička struktura vlakana

Uz osnovno znanje o potpunom širenju svjetlosti od refleksije, lako je razumjeti dizajnersku strukturu optičkih vlakana. Golo vlakno optičkih vlakana podijeljeno je u tri sloja: prvi sloj je jezgra koja se nalazi u središtu vlakana i sastoji se od silicijskog dioksida visoke čistoće, poznatog i kao staklo. Promjer jezgre općenito je 9-10 mikrona (jednostruki način), 50 ili 62,5 mikrona (multi-mod). Vlakna jezgra ima visoki indeks loma i koristi se za prijenos svjetla. Obloga drugog sloja: Smješteno oko jezgre vlakana, također sastavljen od silicijevog stakla (s promjerom od općenito 125 mikrona). Indeks loma obloge je nizak, tvoreći potpuno stanje refleksije zajedno s jezgrom vlakana. Treći sloj premaza: Vanjski sloj je ojačani premaz od smole. Materijal zaštitnog sloja ima veliku čvrstoću i može podnijeti velike utjecaje, štiteći optička vlakna od erozije vodene pare i mehaničke abrazije.

Gubitak optičkog prijenosa

Gubitak optičkog prijenosa vrlo je važan čimbenik koji utječe na kvalitetu optičke komunikacije. Glavni čimbenici koji uzrokuju prigušenje optičkih signala uključuju gubitak materijala apsorpcije, gubitak raspršivanja tijekom prijenosa i druge gubitke uzrokovane čimbenicima poput savijanja vlakana, kompresije i gubitka pristajanja.

Valna duljina svjetlosti je različita, a gubitak prijenosa u optičkim vlaknima je također različit. Kako bi umanjili gubitak i osigurali učinak prijenosa, znanstvenici su se zalagali za pronalaženje najprikladnijeg svjetla. Svjetlost u rasponu valne duljine od 1260Nm ~ 1360Nm ima najmanju izobličenje signala uzrokovano disperzijom i najmanji gubitak apsorpcije. U ranim danima ovaj je raspon valne duljine usvojen kao optički komunikacijski pojas. Kasnije, nakon dugog razdoblja istraživanja i prakse, stručnjaci su postupno saželi raspon valne duljine niskog gubitka (1260Nm ~ 1625nm), koji je najprikladniji za prijenos u optičkim vlaknima. Dakle, svjetlosni valovi koji se koriste u optičkoj komunikaciji uglavnom su u infracrvenom opsegu.

Optička klasifikacija vlakana

Multimode optičko vlakno: prenosi više načina, ali velika inter modalna disperzija ograničava frekvenciju prijenosa digitalnih signala, a ovo ograničenje postaje sve jače s povećanjem udaljenosti prijenosa. Stoga je udaljenost optičkog prijenosa multimodnih vlakana relativno kratka, obično samo nekoliko kilometara.
Vlakna s jednim načinom: s vrlo malim promjerom vlakana, teoretski se može prenijeti samo jedan način, što ga čini prikladnim za daljinsku komunikaciju.

Dio 3. Princip rada optičkog komunikacijskog sustava

Komunikacijski sustav optičkih vlakana

Komunikacijski proizvodi koji se obično koriste, poput mobilnih telefona i računala, prenose informacije u obliku električnih signala. Prilikom provođenja optičke komunikacije, prvi korak je pretvoriti električne signale u optičke signale, prenositi ih kroz optičke kabele, a zatim pretvoriti optičke signale u električne signale kako bi se postigla svrha prijenosa informacija. Osnovni optički komunikacijski sustav sastoji se od optičkog odašiljača, optičkog prijemnika i optičkog kruga vlakana za prijenos svjetla. Kako bi se osigurala kvaliteta prijenosa signala na duge udaljenosti i poboljšala propusnost prijenosa, općenito se koriste optički repetitori i multipleksi.

Ispod je kratak uvod u princip rada svake komponente u optičkom komunikacijskom sustavu.

Optički odašiljač:Pretvara električne signale u optičke signale, uglavnom sastavljene od signalnih modulatora i izvora svjetlosti.

Signalni multiplekser:Parovi višestruki optički nosač različitih valnih duljina u isto optičko vlakno za prijenos, postižući učinak udvostručenja kapaciteta prijenosa.

Optički repetitor:Tijekom prijenosa, valni oblik i intenzitet signala pogoršat će se, pa je potrebno vratiti valni oblik u izvorni valni oblik izvornog signala i povećati intenzitet svjetlosti.

Signal DemultiPlexer:Razgradite multipleksirani signal u svoje izvorne pojedinačne signale.

Optički prijemnik:Pretvara primljeni optički signal u električni signal, uglavnom sastavljen od fotodetektora i demodulatora.

Dio 4. Prednosti i primjene optičke komunikacije

Prednosti optičke komunikacije:

1. Duga udaljenost releja, ekonomična i štednja energije
Pretpostavljajući prijenos od 10 Gbps (10 milijardi 0 ili 1 signala u sekundi) informacija, ako se koristi električna komunikacija, signal je potrebno prenijeti i prilagoditi svakih nekoliko stotina metara. U usporedbi s tim, korištenje optičke komunikacije može postići udaljenost releja od preko 100 kilometara. Što se signal manje puta podešava, to je niži trošak. S druge strane, materijal optičkih vlakana je silicijev dioksid, koji ima obilne rezerve i mnogo niže troškove od bakrene žice. Stoga optička komunikacija ima ekonomski i energetski učinak.

2. Brzi prijenos informacija i visoka kvaliteta komunikacije

Na primjer, sada kada razgovarate s prijateljima u inozemstvu ili razgovarate na mreži, zvuk nije tako zaostajajući kao prije. U doba telekomunikacija, međunarodna komunikacija uglavnom se oslanja na umjetne satelite kao releje za prijenos, što rezultira dužim putovima prijenosa i sporijim dolaskom signala. I optička komunikacija, uz pomoć podmorničkih kabela, skraćuje udaljenost prijenosa, čineći prijenos informacija bržim. Stoga, upotreba optičke komunikacije može postići glatku komunikaciju s u inozemstvo.

3. Snažna sposobnost anti-mijenjanja i dobra povjerljivost

Električna komunikacija može osjetiti pogreške zbog elektromagnetskih smetnji, što dovodi do smanjenja kvalitete komunikacije. Međutim, na optičku komunikaciju ne utječe električna buka, što ga čini sigurnijim i pouzdanijim. A zbog principa ukupnog refleksije, signal je potpuno ograničen na optička vlakna za prijenos, tako da je povjerljivost dobra.

4. Veliki kapacitet prijenosa
Općenito, električna komunikacija može prenijeti samo 10 Gbps (10 milijardi 0 ili 1 signala u sekundi) informacija, dok optička komunikacija može prenijeti 1TBPS (1 bilijuna 0 ili 1 signala) informacija.

Primjena optičke komunikacije

Mnogo je prednosti optičke komunikacije, a integrirano je u svaki kutak našeg života od njegovog razvoja. Uređaji poput mobilnih telefona, računala i IP telefona koji koriste Internet povezuju sve sa svojom regijom, cijelom zemljom, pa čak i na globalnu komunikacijsku mrežu. Na primjer, signali koje emitiraju računala i mobilni telefoni okupljaju se na baznim stanicama lokalnih komunikacijskih operatora i opremi mrežnog dobavljača, a zatim se prenose u različite dijelove svijeta putem vlaknastih optičkih kablova u podmorničkim kablovima.

Postizanje dnevnih aktivnosti poput videopoziva, kupovine na mreži, videoigara i promatranja koji se svi oslanjaju na njegovu podršku i pomoć iza kulisa. Pojava optičkih mreža učinila je naš život ugodnijim i praktičnijim.