Grunnleggende kunnskap om optisk fiber

Oppfinnelsen av optisk fiber har drevet revolusjonen innen kommunikasjonsfeltet. Hvis det ikke er noen optisk fiber for å gi høykapasitet høyhastighetskanaler, kan internett bare holde seg i det teoretiske stadiet. Hvis det 20. århundre var strømmen med elektrisitet, er det 21. århundre lysets tid. Hvordan oppnår lys kommunikasjon? La oss lære den grunnleggende kunnskapen om optisk kommunikasjon sammen med redaktøren nedenfor.

Del 1. Grunnleggende kunnskap om lysutbredelse

Forstå lysbølger
Lysbølger er faktisk elektromagnetiske bølger, og i ledig plass er bølgelengden og hyppigheten av elektromagnetiske bølger omvendt proporsjonale. Produktet av de to er lik lysets hastighet, det vil si:

Arranger bølgelengdene eller frekvensene til elektromagnetiske bølger for å danne et elektromagnetisk spekter. I henhold til de forskjellige bølgelengdene eller frekvensene, kan elektromagnetiske bølger deles inn i strålingsregion, ultrafiolett område, synlig lysregion, infrarød region, mikrobølgeområde, radiobølgeområde og langbølgeområde. Båndene som brukes til kommunikasjon er hovedsakelig den infrarøde regionen, mikrobølgeområdet og radiobølgeområdet. Følgende bilde vil hjelpe deg med å forstå avdelingen av kommunikasjonsband og tilsvarende forplantningsmedier på få minutter.

Hovedpersonen i denne artikkelen, "Fiber Optic Communication", bruker lette bølger i det infrarøde båndet. Når det gjelder dette punktet, kan folk lure på hvorfor det må være i det infrarøde bandet? Dette problemet er relatert til tap av optisk overføring av optiske fibermaterialer, nemlig silikaglass. Deretter må vi forstå hvordan optiske fibre overfører lys.

Brytning, refleksjon og total refleksjon av lys

Når lys sendes ut fra et stoff til et annet, oppstår brytning og refleksjon ved grensesnittet mellom de to stoffene, og refraksjonsvinkelen øker med vinkelen på det innfallende lyset. Som vist i figur ① → ②. Når hendelsesvinkelen når eller overstiger en viss vinkel, forsvinner det brytede lyset og alt det innfallende lyset reflekteres tilbake, som er den totale refleksjonen av lys, som vist i ② → ③ i den følgende figuren.

Ulike materialer har forskjellige brytningsindekser, så hastigheten på lysutbredelse varierer i forskjellige medier. Brytningsindeksen er representert med n, n = c/v, hvor C er hastigheten i vakuum og V er forplantningshastigheten i mediet. Et medium med en høyere brytningsindeks kalles et optisk tett medium, mens et medium med en lavere brytningsindeks kalles et optisk sparsomt medium. De to forholdene for at total refleksjon skal oppstå er:
1. Overføring fra optisk tett medium til optisk sparsomt medium
2. Hendelsesvinkelen er større enn eller lik den kritiske vinkelen på total refleksjon
For å unngå optisk signallekkasje og redusere overføringstap, oppstår optisk overføring i optiske fibre under totale refleksjonsbetingelser.

Del 2. Introduksjon til Optical Propagation Media (Fiber Optic)

Fiberoptisk struktur

Med den grunnleggende kunnskapen om total refleksjonslysutbredelse, er det lett å forstå designstrukturen til optiske fibre. Den nakne fiberen av optisk fiber er delt inn i tre lag: det første laget er kjernen, som ligger i midten av fiberen og er sammensatt av silisiumdioksid med høy renhet, også kjent som glass. Kjernediameteren er vanligvis 9-10 mikron (enkeltmodus), 50 eller 62,5 mikron (multimodus). Fiberkjernen har en høy brytningsindeks og brukes til å overføre lys. Andre lagkledning: Ligger rundt fiberkjernen, også sammensatt av silikaglass (med en diameter på vanligvis 125 mikron). Brytningsindeksen for kledningen er lav, og danner en total refleksjonstilstand sammen med fiberkjernen. Det tredje beleggslaget: Det ytterste laget er et forsterket harpiksbelegg. Det beskyttende lagsmaterialet har høy styrke og tåler store påvirkninger, og beskytter den optiske fiberen mot erosjon av vanndamp og mekanisk slitasje.

Optisk overføringstap

Tap av fiberoptisk overføring er en veldig viktig faktor som påvirker kvaliteten på fiberoptisk kommunikasjon. De viktigste faktorene som forårsaker demping av optiske signaler inkluderer absorpsjonstap av materialer, spredningstap under overføring og andre tap forårsaket av faktorer som fiberbøyning, komprimering og dokkingstap.

Bølgelengden til lys er forskjellig, og overføringstapet i optiske fibre er også annerledes. For å minimere tapet og sikre overføringseffekten, har forskere vært opptatt av å finne det mest passende lyset. Lyset i bølgelengdeområdet på 1260nm ~ 1360nm har den minste signalforvrengning forårsaket av spredning og det laveste absorpsjonstapet. I de første dagene ble dette bølgelengdeområdet tatt i bruk som det optiske kommunikasjonsbandet. Senere, etter en lang periode med utforskning og praksis, oppsummerte eksperter gradvis et lavt tapsbølgelengdeområde (1260nm ~ 1625nm), som er mest egnet for overføring i optiske fibre. Så de lette bølgene som brukes i fiberoptisk kommunikasjon er generelt i det infrarøde båndet.

Fiberoptisk klassifisering

Multimode optisk fiber: Overfører flere modus, men den store mellommodale spredningen begrenser frekvensen av å overføre digitale signaler, og denne begrensningen blir mer alvorlig med økende overføringsavstand. Derfor er avstanden til multimode fiberoptisk overføring relativt kort, vanligvis bare noen få kilometer.
Enkeltmodusfiber: Med en veldig liten fiberdiameter kan teoretisk sett bare en modus overføres, noe som gjør den egnet for fjernkommunikasjon.

Del 3. Arbeidsprinsipp for fiberoptisk kommunikasjonssystem

Optisk fiberkommunikasjonssystem

Kommunikasjonsproduktene som ofte brukes, for eksempel mobiltelefoner og datamaskiner, overfører informasjon i form av elektriske signaler. Når du gjennomfører optisk kommunikasjon, er det første trinnet å konvertere elektriske signaler til optiske signaler, overføre dem gjennom fiberoptiske kabler og deretter konvertere de optiske signalene til elektriske signaler for å oppnå formålet med informasjonsoverføring. Det grunnleggende optiske kommunikasjonssystemet består av en optisk sender, en optisk mottaker og en fiberoptisk krets for overføring av lys. For å sikre kvaliteten på langdistansesignaloverføring og forbedre transmisjonsbåndbredden, brukes vanligvis optiske repeatere og multiplexere.

Nedenfor er en kort introduksjon til arbeidsprinsippet for hver komponent i fiberoptisk kommunikasjonssystem.

Optisk sender:Konverterer elektriske signaler til optiske signaler, hovedsakelig sammensatt av signalmodulatorer og lyskilder.

Signal multiplexer:Par flere optiske bærersignaler med forskjellige bølgelengder i den samme optiske fiberen for overføring, og oppnår effekten av dobling av overføringskapasitet.

Optisk repeater:Under overføring vil bølgeformen og intensiteten til signalet bli dårligere, så det er nødvendig å gjenopprette bølgeformen til det originale signalets pene bølgeform og øke lysintensiteten.

Signal Demultiplexer:Dekomponer det multipleksede signalet i det opprinnelige individuelle signalene.

Optisk mottaker:Konverterer det mottatte optiske signalet til et elektrisk signal, hovedsakelig sammensatt av en fotodetektor og en demodulator.

Del 4. Fordeler og anvendelser av optisk kommunikasjon

Fordeler med optisk kommunikasjon:

1. Lang reléavstand, økonomisk og energisparende
Forutsatt overføring av 10 Gbps (10 milliarder 0 eller 1 signaler per sekund) av informasjon, hvis elektrisk kommunikasjon brukes, må signalet formes og justeres med noen hundre meter. Sammenlignet med dette, kan bruk av optisk kommunikasjon oppnå en reléavstand på over 100 kilometer. Jo færre ganger signalet er justert, jo lavere er kostnaden. På den annen side er materialet til optisk fiber silisiumdioksid, som har rikelig reserver og mye lavere kostnad enn kobbertråd. Derfor har optisk kommunikasjon en økonomisk og energisparende effekt.

2. Rask informasjonsoverføring og høy kommunikasjonskvalitet

For eksempel, nå når du snakker med venner i utlandet eller chatter på nettet, er lyden ikke så hengende som før. I en tid med telekommunikasjon er internasjonal kommunikasjon hovedsakelig avhengig av kunstige satellitter som reléer for overføring, noe som resulterer i lengre overføringsveier og langsommere signal ankomst. Og optisk kommunikasjon, ved hjelp av ubåtkabler, forkorter overføringsavstanden, noe som gjør informasjonsoverføring raskere. Derfor kan bruk av optisk kommunikasjon oppnå jevnere kommunikasjon med utenlands.

3. Sterk anti-interferensevne og god konfidensialitet

Elektrisk kommunikasjon kan oppleve feil på grunn av elektromagnetisk interferens, noe som fører til en reduksjon i kommunikasjonskvaliteten. Optisk kommunikasjon påvirkes imidlertid ikke av elektrisk støy, noe som gjør den tryggere og mer pålitelig. Og på grunn av prinsippet om total refleksjon, er signalet fullstendig begrenset til den optiske fiberen for overføring, så konfidensialiteten er god.

4. Stor overføringskapasitet
Generelt kan elektrisk kommunikasjon bare overføre 10 Gbps (10 milliarder 0 eller 1 signaler per sekund) informasjon, mens optisk kommunikasjon kan overføre 1TBPs (1 billion 0 eller 1 signaler) informasjon.

Anvendelse av optisk kommunikasjon

Det er mange fordeler med optisk kommunikasjon, og det har blitt integrert i hvert hjørne av livene våre siden utviklingen. Enheter som mobiltelefoner, datamaskiner og IP -telefoner som bruker Internett kobler alle til sin region, hele landet og til og med til det globale kommunikasjonsnettverket. For eksempel samles signaler som sendes ut av datamaskiner og mobiltelefoner på lokale kommunikasjonsoperatørbasestasjoner og nettverksleverandørutstyr, og overføres deretter til forskjellige deler av verden gjennom fiberoptiske kabler i ubåtkabler.

Realiseringen av daglige aktiviteter som videosamtaler, online shopping, videospill og overstadig å se alt stole på støtte og hjelp bak kulissene. Fremveksten av optiske nettverk har gjort livene våre mer komfortable og praktisk.