Základné znalosti optických vlákien

Vynález optického vlákna viedol revolúciu v oblasti komunikácie. Ak neexistuje optické vlákno na zabezpečenie vysokorýchlostných vysokorýchlostných kanálov, internet môže zostať iba v teoretickej fáze. Ak bola 20. storočie obdobím elektriny, potom je 21. storočie obdobím svetla. Ako svetlo dosahuje komunikáciu? Naučme sa základné znalosti optickej komunikácie spolu s editorom nižšie.

1. časť. Základné znalosti šírenia svetla

Pochopenie ľahkých vĺn
Svetelné vlny sú v skutočnosti elektromagnetické vlny a vo voľnom priestore sú vlnová dĺžka a frekvencia elektromagnetických vĺn nepriamo úmerné. Produkt týchto dvoch sa rovná rýchlosti svetla, to znamená:

Usporiadajte vlnové dĺžky alebo frekvencie elektromagnetických vĺn, aby ste vytvorili elektromagnetické spektrum. Podľa rôznych vlnových dĺžok alebo frekvencií je možné elektromagnetické vlny rozdeliť na radiačnú oblasť, ultrafialovú oblasť, oblasť viditeľného svetla, infračervenú oblasť, mikrovlnnú oblasť, oblasť rádiových vĺn a oblasť dlhých vĺn. Pásy používané na komunikáciu sú hlavne infračervená oblasť, mikrovlnná oblasť a oblasť rádiových vĺn. Nasledujúci obrázok vám pomôže pochopiť rozdelenie komunikačných pásiem a zodpovedajúce šírenie médií v minútach.

Protagonista tohto článku „Optická komunikácia z vlákien“ používa svetelné vlny v infračervenom pásme. Pokiaľ ide o tento bod, ľudia sa môžu čudovať, prečo musí byť v infračervenej kapele? Tento problém súvisí s optickou prenosovou stratou materiálov optických vlákien, konkrétne oxidu kremičitého skla. Ďalej musíme pochopiť, ako optické vlákna prenášajú svetlo.

Lom, odraz a úplný odraz svetla

Keď je svetlo emitované z jednej látky do druhej, na rozhraní medzi dvoma látkami sa vyskytne lom a uhol lomu sa zvyšuje s uhlom dopadajúceho svetla. Ako je znázornené na obrázku ① → ②. Keď uhol dopadu dosiahne alebo prekračuje určitý uhol, refrakované svetlo zmizne a všetky dopadajúce svetlo sa odráža späť, čo je celkový odraz svetla, ako je znázornené v ② → ③ na nasledujúcom obrázku.

Rôzne materiály majú rôzne indexy lomu, takže rýchlosť šírenia svetla sa líši v rôznych médiách. Index lomu je reprezentovaný N, N = C/V, kde C je rýchlosť vo vákuu a V je šírenie rýchlosti v médiu. Médium s vyšším indexom lomu sa nazýva opticky husté médium, zatiaľ čo médium s nižším indexom lomu sa nazýva opticky riedke médium. Dve podmienky, aby sa vyskytli celkové odrazy, sú:
1. Prenos z opticky hustého média do opticky riedkeho média
2. Uhol dopadu je väčší alebo rovný kritickému uhlu celkového odrazu
Aby sa predišlo úniku optického signálu a znížení straty prenosu, dochádza k optickému prenosu v optických vláknach v podmienkach celkového odrazu.

Časť 2. Úvod do optického šírenia média (optika z vlákien)

Vláknitá optická štruktúra

So základnými znalosťami šírenia celkového reflexného svetla je ľahké pochopiť konštrukčnú štruktúru optických vlákien. Holé vlákno optického vlákna je rozdelené do troch vrstiev: prvou vrstvou je jadro, ktoré sa nachádza v strede vlákna a je zložená z vysoko čistom oxidu kremíka, známeho tiež ako sklo. Priemer jadra je všeobecne 9-10 mikrónov (jednodušný režim), 50 alebo 62,5 mikrónov (viacmode). Jadro vlákna má vysoký index lomu a používa sa na prenos svetla. Opláchanie druhej vrstvy: umiestnené okolo jadra vlákna, tiež zložené z oxidu kremičitého (s priemerom všeobecne 125 mikrónov). Index lomu opláštenia je nízky a vytvára celkový odrazový stav spolu s jadrom vlákna. Tretia vrstva povlaku: najvzdialenejšia vrstva je zosilnená živica. Materiál ochrannej vrstvy má vysokú pevnosť a vydrží veľké dopady, čím chráni optické vlákno pred eróziou vodnej pary a mechanického oderu.

Strata optického prenosu

Strata prenosu z optických vlákien je veľmi dôležitým faktorom ovplyvňujúcim kvalitu komunikácie z optickej vlákna. Medzi hlavné faktory, ktoré spôsobujú útlm optických signálov, patrí absorpčná strata materiálov, strata rozptylu počas prenosu a ďalšie straty spôsobené faktormi, ako sú ohýbanie vlákien, kompresia a strata dokovania.

Vlnová dĺžka svetla je iná a strata prenosu v optických vláknach sa tiež líši. Aby sa minimalizovala strata a zabezpečila účinok prenosu, vedci sa zaviazali nájsť najvhodnejšie svetlo. Svetlo v rozsahu vlnových dĺžok 1260nm ~ 1360nm má najmenšie skreslenie signálu spôsobené disperziou a najnižšou absorpčnou stratou. V prvých dňoch bol tento rozsah vlnovej dĺžky prijatý ako optické komunikačné pásmo. Neskôr, po dlhom období prieskumu a praxe, odborníci postupne zhrnuli rozsah vlnových dĺžok s nízkou stratou (1260nm ~ 1625nm), ktorý je najvhodnejší na prenos v optických vláknach. Svetelné vlny používané v optickej komunikácii sú zvyčajne v infračervenom pásme.

Klasifikácia z optických vlákien

Multimódové optické vlákno: prenáša viacero režimov, ale veľká inter modálna disperzia obmedzuje frekvenciu vysielania digitálnych signálov a toto obmedzenie sa stáva závažnejším so zvyšujúcou sa prenosovou vzdialenosťou. Preto je vzdialenosť prenosu optických vlákien multimódových vlákien relatívne krátka, zvyčajne iba niekoľko kilometrov.
Vlákno s jedným režimom: S veľmi malým priemerom vlákna je možné prenášať teoreticky iba jeden režim, vďaka čomu je vhodný pre vzdialenú komunikáciu.

Časť 3. Pracovný princíp komunikačného systému z optických vlákien

Komunikačný systém optických vlákien

Bežne používané komunikačné výrobky, ako sú mobilné telefóny a počítače, prenášajú informácie vo forme elektrických signálov. Pri vykonávaní optickej komunikácie je prvým krokom previesť elektrické signály na optické signály, vysielať ich cez káble z optických vlákien a potom previesť optické signály na elektrické signály tak, aby sa dosiahol účel prenosu informácií. Základný optický komunikačný systém pozostáva z optického vysielača, optického prijímača a optického obvodu vlákien na vysielanie svetla. Aby sa zabezpečila kvalita prenosu signálu na dlhé vzdialenosti a zlepšila šírku pásma prenosu, všeobecne sa používajú optické zosilňovače a multiplexory.

Nižšie je uvedený stručný úvod k pracovnému princípu každého komponentu v komunikačnom systéme optických vlákien.

Optický vysielač:Prevedie elektrické signály na optické signály, ktoré sa skladajú hlavne zo signálnych modulátorov a zdrojov svetla.

Multiplexor signálu:páry viac signálov optického nosiča rôznych vlnových dĺžok do rovnakého optického vlákna na prenos, čím sa dosiahne účinok zdvojnásobenia prenosovej kapacity.

Optický opakovač:Počas prenosu sa zhorší tvar vlny a intenzita signálu, takže je potrebné obnoviť tvar vlny na úhľadnú vlnu pôvodného signálu a zvýšiť intenzitu svetla.

Signál demultiplexor:Rozložte multiplexovaný signál do pôvodných individuálnych signálov.

Optický prijímač:Prevedie prijatý optický signál na elektrický signál, ktorý sa skladá hlavne z fotodetektora a demodulátora.

Časť 4. Výhody a aplikácie optickej komunikácie

Výhody optickej komunikácie:

1. Dlhá vzdialenosť relé, ekonomické a úsporné energie
Za predpokladu prenosu 10 Gbps (10 miliárd 0 alebo 1 signálov za sekundu), ak sa použije elektrická komunikácia, musí sa signál prenášať a upravovať každých pár stoviek metrov. V porovnaní s tým môže použitie optickej komunikácie dosiahnuť vzdialenosť relé nad 100 kilometrov. Čím menej násobku je signál nastavený, tým nižšie náklady. Na druhej strane materiálom optického vlákna je oxid kremíka, ktorý má bohaté rezervy a oveľa nižšie náklady ako medený drôt. Optická komunikácia má preto ekonomický a energeticky úsporný účinok.

2. Prenos rýchleho informácií a vysoká kvalita komunikácie

Napríklad teraz, keď hovoríme s priateľmi v zahraničí alebo chatujú online, zvuk nie je taký zaostávajúci ako predtým. V ére telekomunikácií sa medzinárodná komunikácia spolieha hlavne na umelé satelity ako relé pre prenos, čo vedie k dlhším cestám prenosu a pomalšiemu príchodu signálu. A optická komunikácia s pomocou ponorkových káblov, skracuje prenosovú vzdialenosť a zvyšuje prenos informácií. Preto použitie optickej komunikácie môže dosiahnuť plynulejšiu komunikáciu so zahraničnými.

3. Silná anti-interferenčná schopnosť a dobrá dôvernosť

Elektrická komunikácia môže mať chyby v dôsledku elektromagnetického rušenia, čo vedie k zníženiu kvality komunikácie. Optická komunikácia však nie je ovplyvnená elektrickým hlukom, vďaka čomu je bezpečnejšia a spoľahlivejšia. A kvôli princípu úplného odrazu je signál úplne obmedzený na optické vlákno na prenos, takže dôvernosť je dobrá.

4. Veľká prenosová kapacita
Všeobecne platí, že elektrická komunikácia môže vysielať iba 10 Gbps (10 miliárd 0 alebo 1 signály za sekundu) informácií, zatiaľ čo optická komunikácia môže prenášať 1 Tbps (1 bilión 0 alebo 1 signály) informácií.

Aplikácia optickej komunikácie

Optická komunikácia má veľa výhod a od svojho vývoja bola integrovaná do každého kúta nášho života. Zariadenia, ako sú mobilné telefóny, počítače a telefóny IP, ktoré používajú internet, spájajú všetkých do svojho regiónu, celej krajiny a dokonca aj k globálnej komunikačnej sieti. Napríklad signály emitované počítačmi a mobilnými telefónmi sa zhromažďujú na základných staniciach miestnej komunikácie a zariadenia poskytovateľa siete a potom sa prenášajú do rôznych častí sveta prostredníctvom káblov optických vlákien v ponorkových kábloch.

Realizácia každodenných aktivít, ako sú videohovory, online nakupovanie, videohry a sledovanie sledovania, sa spoliehajú na jeho podporu a pomoc v zákulisí. Vďaka vzniku optických sietí bol náš život pohodlnejším a pohodlnejším.