Osnovno znanje optičnih vlaken

Izum optičnih vlaken je poganjal revolucijo na področju komunikacije. Če ni optičnih vlaken, ki bi zagotavljale visoke kanale visoke hitrosti, lahko internet ostane le v teoretični fazi. Če je bila 20. stoletje doba električne energije, potem je 21. stoletje doba svetlobe. Kako svetloba doseže komunikacijo? Naučimo se osnovnega znanja optične komunikacije skupaj z urednikom spodaj.

1. del. Osnovno znanje o širjenju svetlobe

Razumevanje svetlobnih valov
Lahki valovi so dejansko elektromagnetni valovi, v prostem prostoru pa sta valovna dolžina in frekvenca elektromagnetnih valov obratno sorazmerna. Izdelek obeh je enak hitrosti svetlobe, torej:

Razporedite valovne dolžine ali frekvence elektromagnetnih valov, da tvorijo elektromagnetni spekter. Glede na različne valovne dolžine ali frekvence lahko elektromagnetne valove razdelimo na območje sevanja, ultravijolično območje, vidno svetlobo, infrardečo regijo, mikrovalovno območje, radijsko valovno območje in območje dolge valov. Pasovi, ki se uporabljajo za komunikacijo, so predvsem infrardeča regija, mikrovalovna regija in regija radijskih valov. Naslednja slika vam bo pomagala razumeti delitev komunikacijskih pasov in ustrezne razmnoževalne medije v nekaj minutah.

Glavni junak tega članka "Optična komunikacija" uporablja lahke valove v infrardečem pasu. Ko gre za to točko, se lahko ljudje vprašajo, zakaj mora biti v infrardeči skupini? Ta težava je povezana z optično izgubo prenosa materialov optičnih vlaken, in sicer kremenčevim steklom. Nato moramo razumeti, kako optična vlakna oddajajo svetlobo.

Lomljivost, odsev in popolni odboj svetlobe

Ko se svetloba oddaja iz ene snovi v drugo, se na vmesniku med obema snovi pojavita loma in odsev, kot refrakcije pa se poveča s kotom vpadne svetlobe. Kot je prikazano na sliki ① → ②. Ko vpadni kot doseže ali presega določen kot, lomna svetloba izgine in vsa vpadna svetloba se odbija nazaj, to je skupni odsev svetlobe, kot je prikazano v ② → ③ na naslednji sliki.

Različni materiali imajo različne indekse loma, zato se hitrost širjenja svetlobe razlikuje v različnih medijih. Indeks loma je predstavljen z n, n = c/v, kjer je C hitrost v vakuumu in V hitrost širjenja v mediju. Medij z indeksom večjega loma se imenuje optično gost medij, medij z nižjimi indeksi loma pa se imenuje optično redek medij. Dva pogoja za skupni razmislek sta:
1. Prenos iz optično gostega do optično redkega medija
2. Incident kot je večji ali enak kritičnemu kotu celotnega odseva
Da bi se izognili uhajanju optičnega signala in zmanjšali izgubo prenosa, se optični prenos v optičnih vlaknih pojavi v skupnih odbojnih pogojih.

2. del. Uvod v optično širjenje medijev (optika vlaken)

Optična struktura vlaken

Z osnovnim znanjem o skupnem odsevnem širjenju svetlobe je enostavno razumeti oblikovalsko strukturo optičnih vlaken. Gola vlakna optičnih vlaken je razdeljena na tri plasti: prva plast je jedro, ki se nahaja na sredini vlaken in je sestavljeno iz silicijevega dioksida z visoko čisto čistostjo, znanega tudi kot steklo. Premer jedra je na splošno 9-10 mikronov (en način), 50 ali 62,5 mikronov (več načinov). Jedro vlaken ima indeks visokega loma in se uporablja za prenos svetlobe. Druga plast obloge: Nahaja se okoli jedra vlaken, sestavljeno tudi iz kremenčevega stekla (s premerom na splošno 125 mikronov). Indeks refrakcije obloge je nizek, kar tvori skupno refleksno stanje skupaj z jedrom vlaken. Tretji plast prevleke: najbolj odmevna plast je ojačana smola. Material zaščitne plasti ima visoko trdnost in lahko prenese velike udarce, zaščiti optično vlakno pred erozijo vodne pare in mehanske odrgnine.

Optična izguba prenosa

Izguba prenosnih vlaken je zelo pomemben dejavnik, ki vpliva na kakovost optične komunikacije v vlakni. Glavni dejavniki, ki povzročajo slabljenje optičnih signalov, vključujejo izgubo absorpcije materialov, izgubo razpršitve med prenosom in druge izgube, ki jih povzročajo dejavniki, kot so upogibanje vlaken, stiskanje in izguba priklopa.

Valovna dolžina svetlobe je drugačna, izguba prenosa v optičnih vlaknih pa je tudi različna. Da bi zmanjšali izgubo in zagotovili učinek prenosa, so bili znanstveniki zavezani, da bodo našli najprimernejšo svetlobo. Svetloba v območju valovne dolžine 1260nm ~ 1360nm ima najmanjše popačenje signala, ki ga povzroči disperzija in najnižja izguba absorpcije. V zgodnjih dneh je bil ta valovni dolžini sprejet kot optični komunikacijski pas. Kasneje, po dolgem obdobju raziskovanja in prakse, so strokovnjaki postopoma povzeli območje valovne dolžine z nizko izgubo (1260nm ~ 1625Nm), ki je najbolj primeren za prenos v optičnih vlaknih. Tako so svetlobni valovi, ki se uporabljajo v optični komunikaciji, običajno v infrardečem pasu.

Optična klasifikacija vlaken

Multimode Optična vlakna: prenaša več načinov, vendar velika internacijska disperzija omejuje frekvenco oddajanja digitalnih signalov in ta omejitev postane močnejša s povečanjem prenosne razdalje. Zato je razdalja večmodnega optičnega prenosa vlaken relativno kratka, običajno le nekaj kilometrov.
Vlakna z enim načinom: Z zelo majhnim premerom vlaken se teoretično lahko prenese samo en način, zaradi česar je primeren za oddaljeno komunikacijo.

3. del. Načelo delovnega sistema za optični komunikacijski sistem vlaken

Komunikacijski sistem optičnih vlaken

Komunikacijski izdelki, ki se običajno uporabljajo, kot so mobilni telefoni in računalniki, prenašajo informacije v obliki električnih signalov. Pri izvajanju optične komunikacije je prvi korak pretvorbo električnih signalov v optične signale, jih prenašati prek optičnih vlaken in nato pretvoriti optične signale v električne signale, da se doseže namen prenosa informacij. Osnovni optični komunikacijski sistem je sestavljen iz optičnega oddajnika, optičnega sprejemnika in optičnega vezja za prenos svetlobe. Da bi zagotovili kakovost prenosa signala na dolge razdalje in izboljšali pasovno širino prenosa, se običajno uporabljajo optični repetitorji in multipleksarje.

Spodaj je kratek uvod v delovno načelo vsake komponente v sistemu optičnih vlaken.

Optični oddajnik:Električne signale pretvori v optične signale, v glavnem sestavljene iz signalnih modulatorjev in svetlobnih virov.

Signal multiplekser:Pari z več optičnimi nosilnimi signali različnih valovnih dolžin v isto optično vlakno za prenos, kar dosega učinek podvojitvenega prenosa.

Optični repetitor:Med prenosom se bosta valovna oblika in intenzivnost signala poslabšala, zato je potrebno obnoviti valovno obliko v čist valovni obliki originalnega signala in povečati intenzivnost svetlobe.

Signal demultiplexer:Multipleksirani signal razdelite v svoje prvotne posamezne signale.

Optični sprejemnik:pretvori prejeti optični signal v električni signal, v glavnem sestavljen iz fotodetektorja in demodulatorja.

4. del. Prednosti in aplikacije optične komunikacije

Prednosti optične komunikacije:

1. dolga razdalja releja, ekonomična in varčna z energijo
Ob predpostavki, da je prenos 10 Gbps (10 milijard 0 ali 1 signalov na sekundo) informacij, če se uporabi električna komunikacija, je treba signal prenašati in prilagoditi na vsakih nekaj sto metrov. V primerjavi s tem lahko uporaba optične komunikacije doseže relejsko razdaljo več kot 100 kilometrov. Manjkrat se signal prilagodi, nižji so stroški. Po drugi strani je material optičnih vlaken silicijev dioksid, ki ima obilne rezerve in veliko nižje stroške kot bakrena žica. Zato ima optična komunikacija ekonomski in varčen učinek.

2. hitri prenos informacij in visoka kakovost komunikacije

Na primer, zdaj, ko se pogovarjate s prijatelji v tujini ali klepetate po spletu, zvok ni tako zaostajajoč kot prej. V dobi telekomunikacije se mednarodna komunikacija v glavnem opira na umetne satelite kot releje za prenos, kar ima za posledico daljše prenosne poti in počasnejši prihod signala. In optična komunikacija s pomočjo podmorniških kablov skrajša razdaljo prenosa, s čimer hitreje prenos informacij. Zato lahko uporaba optične komunikacije doseže bolj gladko komunikacijo z tujino.

3. Močna sposobnost proti interakciji in dobra zaupnost

Električna komunikacija lahko povzroči napake zaradi elektromagnetnih motenj, kar vodi do zmanjšanja kakovosti komunikacije. Vendar električni hrup ne vpliva na optično komunikacijo, zaradi česar je varnejši in zanesljivejši. In zaradi načela popolnega odseva je signal popolnoma omejen na optično vlakno za prenos, zato je zaupnost dobra.

4. velika prenosna zmogljivost
Na splošno lahko električna komunikacija prenaša le 10 Gbps (10 milijard 0 ali 1 signalov na sekundo) informacij, medtem ko lahko optična komunikacija prenaša 1Tbps (1 trilijona 0 ali 1 signalov) informacij.

Uporaba optične komunikacije

Optične komunikacije je veliko prednosti in od njenega razvoja je vključeno v vsak kotiček našega življenja. Naprave, kot so mobilni telefoni, računalniki in IP telefoni, ki uporabljajo internet, povezujejo vse v svojo regijo, celotno državo in celo z globalnim komunikacijskim omrežjem. Na primer, signali, ki jih oddajajo računalniki in mobilni telefoni, se zberejo na osnovnih postajah lokalnih komunikacijskih operaterjev in opremi ponudnikov omrežij, nato pa se na različne dele sveta prenašajo prek optičnih kablov v podmornici.

Spoznavanje vsakodnevnih dejavnosti, kot so video klici, spletno nakupovanje, video igre in popivanje, gledanje vseh se opira na njegovo podporo in pomoč v zakulisju. Pojav optičnih omrežij je naše življenje naredil bolj udobno in priročno.