Pamatzināšanas par optisko šķiedru

Optiskās šķiedras izgudrojums ir virzījis revolūciju komunikācijas jomā. Ja nav optiskās šķiedras, kas nodrošinātu ātrgaitas kanālus, internets var palikt tikai teorētiskajā stadijā. Ja 20. gadsimts bija elektrības laikmets, tad 21. gadsimts ir gaismas laikmets. Kā gaisma sasniedz komunikāciju? Apgūsim pamatzināšanas par optisko komunikāciju kopā ar zemāk esošo redaktoru.

1. daļa. Pamatzināšanas par gaismas izplatīšanos

Izprotiet gaismas viļņus
Gaismas viļņi faktiski ir elektromagnētiski viļņi, un brīvā telpā elektromagnētisko viļņu viļņa garums un frekvence ir apgriezti proporcionāli. Abu produkts ir vienāds ar gaismas ātrumu, tas ir:

Sakārtojiet elektromagnētisko viļņu viļņu garumus vai frekvences, lai veidotu elektromagnētisko spektru. Saskaņā ar dažādiem viļņu garumiem vai frekvencēm elektromagnētiskos viļņus var iedalīt starojuma reģionā, ultravioletā reģionā, redzamā gaismas reģionā, infrasarkanajā reģionā, mikroviļņu reģionā, radioviļņu reģionā un garā viļņa reģionā. Komunikācijai izmantotās joslas galvenokārt ir infrasarkanā reģiona, mikroviļņu reģions un radioviļņu reģions. Šis attēls palīdzēs jums izprast komunikāciju joslu dalīšanu un atbilstošos izplatīšanas līdzekļus dažu minūšu laikā.

Šī raksta “optiskās komunikācijas” galvenais varonis izmanto gaismas viļņus infrasarkanā joslā. Runājot par šo punktu, cilvēkiem var rasties jautājums, kāpēc tam jābūt infrasarkanās joslā? Šis jautājums ir saistīts ar optisko šķiedru materiālu optisko pārraides zudumu, proti, silīcija dioksīda stiklu. Tālāk mums jāsaprot, kā optiskās šķiedras pārraida gaismu.

Refrakcija, pārdomas un pilnīgs gaismas atstarojums

Kad gaisma tiek izstarota no vienas vielas uz otru, refrakcija un atstarošana notiek saskarnē starp abām vielām, un refrakcijas leņķis palielinās līdz ar krītošās gaismas leņķi. Kā parādīts attēlā ① → ②. Kad krītošais leņķis sasniedz vai pārsniedz noteiktu leņķi, refrakcijas gaisma pazūd un visa krītošā gaisma ir atstarota aizmugurē, kas ir kopējais gaismas atspoguļojums, kā parādīts ② → ③ nākamajā attēlā.

Dažādiem materiāliem ir dažādi refrakcijas indeksi, tāpēc gaismas izplatīšanās ātrums dažādos barotnēs mainās. Refrakcijas indeksu attēlo N, N = C/V, kur C ir vakuuma ātrums un V ir izplatīšanās ātrums barotnē. Mediju ar augstāku refrakcijas indeksu sauc par optiski blīvu barotni, savukārt barotni ar zemāku refrakcijas indeksu sauc par optiski mazu barotni. Divi nosacījumi, kas saistīti ar kopējo refleksiju, ir:
1. Pārraide no optiski blīvas barotnes uz optiski mazu barotni
2. Incidenta leņķis ir lielāks vai vienāds ar kopējo atstarošanas kritisko leņķi
Lai izvairītos no optiskā signāla noplūdes un samazinātu transmisijas zudumu, optiskās pārraide optiskajās šķiedrās notiek kopējā atstarojuma apstākļos.

2. daļa. Ievads optiskās izplatīšanās barotnēs (optiskā šķiedra)

Optiskās šķiedras struktūra

Izmantojot pamatzināšanas par pilnīgu atstarošanas gaismas izplatīšanos, ir viegli saprast optisko šķiedru dizaina struktūru. Optiskās šķiedras kailā šķiedra ir sadalīta trīs slāņos: pirmais slānis ir serde, kas atrodas šķiedras centrā un sastāv no augstas tīrības pakāpes silīcija dioksīda, kas pazīstams arī kā stikls. Galvenais diametrs parasti ir 9-10 mikroni (viena režīma), 50 vai 62,5 mikroni (vairāku režīmu). Šķiedru kodolam ir augsts refrakcijas indekss, un to izmanto gaismas pārraidei. Otrā slāņa apšuvums: atrodas ap šķiedru serdi, kas sastāv arī no silīcija dioksīda stikla (ar diametru parasti 125 mikroni). Apšuvuma refrakcijas indekss ir zems, veidojot kopējo atstarošanas stāvokli kopā ar šķiedras kodolu. Trešais pārklājuma slānis: ārējais slānis ir pastiprināts sveķu pārklājums. Aizsardzības slāņa materiālam ir liela izturība un tas var izturēt lielu triecienu, aizsargājot optisko šķiedru no ūdens tvaika erozijas un mehāniskās nobrāzuma.

Optiskā pārraides zudums

Optiskās šķiedras pārraides zudums ir ļoti svarīgs faktors, kas ietekmē optiskās šķiedras komunikācijas kvalitāti. Galvenie faktori, kas izraisa optisko signālu vājināšanu, ir materiālu absorbcijas zudums, izkliedes zaudējumi pārraides laikā un citi zaudējumi, ko izraisa tādi faktori kā šķiedru saliekšana, saspiešana un dokstacijas zudumi.

Gaismas viļņa garums ir atšķirīgs, un arī transmisijas zudums optiskajās šķiedrās ir atšķirīgs. Lai samazinātu zaudējumus un nodrošinātu pārraides efektu, zinātnieki ir apņēmušies atrast vispiemērotāko gaismu. Gaismai viļņu garuma diapazonā 1260nm ~ 1360nm ir mazākais signāla izkropļojums, ko izraisa izkliede un zemākais absorbcijas zudums. Pirmajās dienās šis viļņu garuma diapazons tika pieņemts kā optiskās komunikācijas josla. Vēlāk, pēc ilga izpētes un prakses perioda, eksperti pakāpeniski apkopoja zemu zaudējumu viļņu garuma diapazonu (1260nm ~ 1625nm), kas ir vispiemērotākais pārnešanai optiskajās šķiedrās. Tātad gaismas viļņi, ko izmanto optiskās šķiedras komunikācijā, parasti ir infrasarkanā joslā.

Optiskās šķiedras klasifikācija

Multimode optiskā šķiedra: pārraida vairākus režīmus, bet lielā starp modālā izkliede ierobežo digitālo signālu pārraides biežumu, un šis ierobežojums kļūst arvien smagāks, palielinot pārraides attālumu. Tāpēc daudzmodu optiskās šķiedras transmisijas attālums ir salīdzinoši īss, parasti tikai daži kilometri.
Viena režīma šķiedra: ar ļoti mazu šķiedras diametru teorētiski var pārsūtīt tikai vienu režīmu, padarot to piemērotu attālinātai saziņai.

3. daļa. Darba optiskās komunikācijas sistēmas darba princips

Optiskās šķiedras sakaru sistēma

Parasti izmantotie sakaru produkti, piemēram, mobilie tālruņi un datori, pārraida informāciju elektrisko signālu veidā. Veicot optisko sakaru, pirmais solis ir elektriskos signālus pārveidot optiskos signālos, pārraidīt tos caur optisko šķiedru kabeļiem un pēc tam pārveidot optiskos signālus elektriskos signālos, lai sasniegtu informācijas pārraides mērķi. Pamata optiskās sakaru sistēma sastāv no optiskā raidītāja, optiskā uztvērēja un optiskās šķiedras ķēdes gaismas pārraidīšanai. Lai nodrošinātu tālsatiksmes signāla pārraides kvalitāti un uzlabotu transmisijas joslas platumu, parasti tiek izmantoti optiskie atkārtotāji un multiplekseri.

Zemāk ir īss ievads katra komponenta optisko sakaru sistēmas komponenta darba principā.

Optiskais raidītājs:Elektriskos signālus pārvērš optiskos signālos, galvenokārt sastāv no signāla modulatoriem un gaismas avotiem.

Signāla multiplekseris:Pārī vairāki dažādu viļņu garumu optisko nesēju signāli vienā optiskajā šķiedrā pārraidīšanai, sasniedzot pārvades jaudas dubultošanas efektu.

Optiskais atkārtotājs:Pārraides laikā signāla viļņu forma un intensitāte pasliktināsies, tāpēc ir nepieciešams atjaunot viļņu formu sākotnējā signāla glītajā viļņu formā un palielināt gaismas intensitāti.

Signāla demultiplekseris:Sadaliet multipleksēto signālu sākotnējos individuālajos signālos.

Optiskais uztvērējs:konvertē saņemto optisko signālu elektriskajā signālā, galvenokārt sastāv no fotodetektora un demodulatora.

4. daļa. Optiskās komunikācijas priekšrocības un pielietojums

Optiskās komunikācijas priekšrocības:

1. Garais stafetes attālums, ekonomisks un enerģijas taupīšana
Pieņemot 10 Gbps (10 miljardu 0 vai 1 signālu sekundē) pārraidi, ja tiek izmantota elektriskā komunikācija, signāls ir jāpārraida un jāpielāgo ik pēc dažiem simtiem metru. Salīdzinot ar to, optiskās komunikācijas izmantošana var sasniegt vairāk nekā 100 kilometru releja attālumu. Jo mazāk reizes tiek koriģēts signāls, jo zemākas ir izmaksas. No otras puses, optiskās šķiedras materiāls ir silīcija dioksīds, kam ir bagātīgas rezerves un daudz zemākas izmaksas nekā vara stieplei. Tāpēc optiskajai komunikācijai ir ekonomiska un enerģijas taupīšanas ietekme.

2. Ātrās informācijas pārraide un augsta komunikācijas kvalitāte

Piemēram, tagad, runājot ar draugiem ārzemēs vai tērzējot tiešsaistē, skaņa nav tik atpalikusi kā iepriekš. Telekomunikāciju laikmetā starptautiskā komunikācija galvenokārt balstās uz mākslīgajiem satelītiem kā pārnešanas relejiem, kā rezultātā rodas garāki pārraides ceļi un lēnāks signāla ierašanās. Un optiskā komunikācija ar zemūdens kabeļu palīdzību saīsina pārraides attālumu, padarot informāciju par pārraidi ātrāk. Tāpēc optiskās komunikācijas izmantošana var sasniegt vienmērīgāku komunikāciju ar ārzemēm.

3. Spēcīgas pretraides spējas un laba konfidencialitāte

Elektriskajai komunikācijai var rasties kļūdas elektromagnētisko traucējumu dēļ, kā rezultātā samazinās sakaru kvalitāte. Tomēr elektriskais troksnis neietekmē optisko sakaru, padarot to drošāku un uzticamāku. Un kopējās atstarošanas principa dēļ signāls ir pilnībā aprobežojies ar transmisijas optisko šķiedru, tāpēc konfidencialitāte ir laba.

4. Liela pārraides spēja
Parasti elektriskā komunikācija var pārsūtīt tikai 10 Gbps (10 miljardi 0 vai 1 signāli sekundē), savukārt optiskā komunikācija var pārsūtīt 1TBP (1 triljoni 0 vai 1 signālu) informācijas.

Optiskās komunikācijas pielietojums

Optiskajai komunikācijai ir daudz priekšrocību, un tā ir integrēta katrā mūsu dzīves stūrī kopš tās attīstības. Ierīces, piemēram, mobilie tālruņi, datori un IP tālruņi, kas izmanto internetu, savieno visus ar savu reģionu, visu valsti un pat ar globālo sakaru tīklu. Piemēram, datoru un mobilo tālruņu izstarotie signāli, kas apkopoti vietējo sakaru operatoru bāzes stacijās un tīkla nodrošinātāja aprīkojumā, un pēc tam tiek pārnesti uz dažādām pasaules vietām, izmantojot optisko šķiedru kabeļus zemūdens kabeļos.

Ikdienas aktivitāšu, piemēram, videozvanu, tiešsaistes iepirkšanās, videospēļu un pārmērības skatīšanās, realizācija paļaujas uz tā atbalstu un palīdzību aizkulisēs. Optisko tīklu parādīšanās ir padarījusi mūsu dzīvi ērtāku un ērtāku.