Basiskennis van optische vezels

De uitvinding van optische vezel heeft de revolutie op het gebied van communicatie aangedreven. Als er geen optische vezel is om hogesnelheidskanalen met hoge capaciteit te bieden, kan internet alleen in de theoretische fase blijven. Als de 20e eeuw het tijdperk van elektriciteit was, dan is de 21e eeuw het tijdperk van het licht. Hoe bereikt licht communicatie? Laten we de basiskennis van optische communicatie leren samen met de onderstaande editor.

Deel 1. Basiskennis van lichtvoortplanting

Lichtgolven begrijpen
Lichtgolven zijn eigenlijk elektromagnetische golven en in vrije ruimte zijn de golflengte en frequentie van elektromagnetische golven omgekeerd evenredig. Het product van de twee is gelijk aan de snelheid van het licht, dat wil zeggen:

Schik de golflengten of frequenties van elektromagnetische golven om een ​​elektromagnetisch spectrum te vormen. Volgens de verschillende golflengten of frequenties kunnen elektromagnetische golven worden verdeeld in stralingsgebied, ultraviolet gebied, zichtbaar lichtgebied, infraroodgebied, microgolfgebied, radiogolfgebied en lang golfgebied. De banden die worden gebruikt voor communicatie zijn voornamelijk het infraroodgebied, de magnetrongebied en de radiogolfregio. De volgende afbeelding helpt u de verdeling van communicatiebanden en bijbehorende propagatiemedia in minuten te begrijpen.

De hoofdrolspeler van dit artikel, 'Fiber Optic Communication', gebruikt lichtgolven in de infraroodband. Als het op dit punt aankomt, kunnen mensen zich afvragen waarom het in de infraroodband moet zijn? Dit probleem is gerelateerd aan het optische transmissieverlies van optische vezelmaterialen, namelijk silicaglas. Vervolgens moeten we begrijpen hoe optische vezels licht overbrengen.

Breking, reflectie en totale reflectie van licht

Wanneer licht van de ene stof naar de andere wordt uitgestoten, treden brekerij en reflectie op op het grensvlak tussen de twee stoffen en neemt de brekingshoek toe met de hoek van het invallende licht. Zoals getoond in figuur ① → ②. Wanneer de invallende hoek een bepaalde hoek bereikt of overschrijdt, verdwijnt het gebroken licht en wordt al het invallende licht weerspiegeld, wat de totale reflectie van licht is, zoals getoond in ② → ③ in de volgende figuur.

Verschillende materialen hebben verschillende brekingsindices, dus de snelheid van lichtvoortplanting varieert in verschillende media. De brekingsindex wordt weergegeven door N, N = C/V, waarbij C de snelheid in vacuüm is en V de voortplantingssnelheid in het medium is. Een medium met een hogere brekingsindex wordt een optisch dicht medium genoemd, terwijl een medium met een lagere brekingsindex een optisch schaars medium wordt genoemd. De twee voorwaarden voor totale reflectie zijn:
1. Transmissie van optisch dicht medium naar optisch schaars medium
2. De invallende hoek is groter dan of gelijk aan de kritische hoek van totale reflectie
Om optische signaallekkage te voorkomen en transmissieverlies te verminderen, treedt optische transmissie in optische vezels op onder totale reflectieomstandigheden.

Deel 2. Inleiding tot optische propagatiemedia (glasvezel)

Glasvezelstructuur

Met de basiskennis van totale voortplantingslichtvoortplanting is het gemakkelijk om de ontwerpstructuur van optische vezels te begrijpen. De kale vezel van optische vezels is verdeeld in drie lagen: de eerste laag is de kern, die zich in het midden van de vezel bevindt en bestaat uit siliciumdioxide met hoge zuiverheid, ook bekend als glas. De kerndiameter is over het algemeen 9-10 micron (single-mode), 50 of 62,5 micron (multi-mode). De vezelkern heeft een hoge brekingsindex en wordt gebruikt om licht te verzenden. Tweede laagbekleding: gelegen rond de vezelkern, ook samengesteld uit silicaglas (met een diameter van over het algemeen 125 micron). De brekingsindex van de bekleding is laag en vormt een totale reflectieconditie samen met de vezelkern. De derde coatinglaag: de buitenste laag is een versterkte harscoating. Het beschermende laagmateriaal heeft een hoge sterkte en kan grote effecten weerstaan, waardoor de optische vezel wordt beschermd tegen waterdamperosie en mechanische slijtage.

Optisch transmissieverlies

Verlies van glasvezeloverdracht is een zeer belangrijke factor die de kwaliteit van de optische communicatie van vezels beïnvloedt. De belangrijkste factoren die verzwakking van optische signalen veroorzaken, zijn onder meer absorptieverlies van materialen, verstrooiingsverlies tijdens transmissie en andere verliezen veroorzaakt door factoren zoals vezelbuigen, compressie en docking verlies.

De golflengte van licht is anders en het transmissieverlies in optische vezels is ook anders. Om het verlies te minimaliseren en het transmissie -effect te waarborgen, zijn wetenschappers toegewijd aan het vinden van het meest geschikte licht. Het licht in het golflengtebereik van 1260 nm ~ 1360 Nm heeft de kleinste signaalvervorming veroorzaakt door dispersie en het laagste absorptieverlies. In het begin werd dit golflengtebereik aangenomen als de optische communicatieband. Later, na een lange periode van exploratie en praktijk, vatten experts geleidelijk een laag verliesgolflengtebereik samen (1260 nm ~ 1625 nm), wat het meest geschikt is voor transmissie in optische vezels. Dus de lichtgolven die worden gebruikt in glasvezelcommunicatie bevinden zich over het algemeen in de infraroodband.

Vezeloptische classificatie

Optische vezel van multimode: verzendt meerdere modi, maar de grote intermodale dispersie beperkt de frequentie van het verzenden van digitale signalen, en deze beperking wordt ernstiger met toenemende transmissieafstand. Daarom is de afstand van multimode vezeloptische transmissie relatief kort, meestal slechts een paar kilometer.
Single Mode Fiber: met een zeer kleine vezeldiameter kan theoretisch slechts één modus worden verzonden, waardoor deze geschikt is voor communicatie op afstand.

Deel 3. Werkprincipe van glasvezelcommunicatiesysteem

Optisch vezelcommunicatiesysteem

De vaak gebruikte communicatieproducten, zoals mobiele telefoons en computers, verzenden informatie in de vorm van elektrische signalen. Bij het uitvoeren van optische communicatie is de eerste stap het omzetten van elektrische signalen in optische signalen, verzenden ze via glasvezelkabels en converteren de optische signalen vervolgens in elektrische signalen om het doel van informatiebransmissie te bereiken. Het basisoptische communicatiesysteem bestaat uit een optische zender, een optische ontvanger en een glasvezelcircuit voor het verzenden van licht. Om de kwaliteit van signaaloverdracht op lange afstand te waarborgen en de transmissiebandbreedte te verbeteren, worden in het algemeen optische repeaters en multiplexers gebruikt.

Hieronder vindt u een korte introductie van het werkingsprincipe van elke component in het glasvezelcommunicatiesysteem.

Optische zender:Converteert elektrische signalen in optische signalen, voornamelijk samengesteld uit signaalmodulatoren en lichtbronnen.

Signaal multiplexer:Paren meerdere optische dragersignalen van verschillende golflengten in dezelfde optische vezel voor transmissie, waardoor het effect van de verdubbeling van de transmissiecapaciteit wordt bereikt.

Optische repeater:Tijdens de transmissie zal de golfvorm en intensiteit van het signaal verslechteren, dus het is noodzakelijk om de golfvorm te herstellen naar de nette golfvorm van het oorspronkelijke signaal en de lichtintensiteit te vergroten.

Signaal demultiplexer:Ontled het multiplex -signaal in zijn oorspronkelijke individuele signalen.

Optische ontvanger:Converteert het ontvangen optische signaal in een elektrisch signaal, voornamelijk samengesteld uit een fotodetector en een demodulator.

Deel 4. Voordelen en toepassingen van optische communicatie

Voordelen van optische communicatie:

1. Lange relaisafstand, economisch en energiebesparend
Uitgaande van de transmissie van 10 Gbps (10 miljard 0 of 1 signalen per seconde) informatie, als elektrische communicatie wordt gebruikt, moet het signaal om de paar honderd meter worden doorgegeven en aangepast. In vergelijking hiermee kan het gebruik van optische communicatie een relaisafstand van meer dan 100 kilometer bereiken. Hoe minder keren het signaal wordt aangepast, hoe lager de kosten. Aan de andere kant is het materiaal van optische vezels siliciumdioxide, dat overvloedige reserves en veel lagere kosten heeft dan koperdraad. Daarom heeft optische communicatie een economisch en energiebesparende effect.

2. Snelle informatietransmissie en hoge communicatiekwaliteit

Als je nu bijvoorbeeld met vrienden in het buitenland praat of online chatten, is het geluid niet zo achterblijven als voorheen. In het tijdperk van telecommunicatie is internationale communicatie voornamelijk afhankelijk van kunstmatige satellieten als relais voor transmissie, wat resulteert in langere transmissiepaden en langzamer signaalaankomst. En optische communicatie, met behulp van onderzeeërkabels, verkort de transmissieafstand en maakt informatie -transmissie sneller. Daarom kan het gebruik van optische communicatie een soepelere communicatie met het buitenland bereiken.

3. Sterk anti-interferentievermogen en goede vertrouwelijkheid

Elektrische communicatie kan fouten ervaren als gevolg van elektromagnetische interferentie, wat leidt tot een afname van de communicatiekwaliteit. Optische communicatie wordt echter niet beïnvloed door elektrische ruis, waardoor het veiliger en betrouwbaarder wordt. En vanwege het principe van totale reflectie is het signaal volledig beperkt tot de optische vezel voor transmissie, dus de vertrouwelijkheid is goed.

4. Grote transmissiecapaciteit
Over het algemeen kan elektrische communicatie slechts 10 Gbps (10 miljard 0 of 1 signalen per seconde) informatie verzenden, terwijl optische communicatie 1 Tbps (1 biljoen 0 of 1 signalen) van informatie kan verzenden.

Toepassing van optische communicatie

Er zijn veel voordelen aan optische communicatie en het is sinds de ontwikkeling ervan in elke hoek van ons leven geïntegreerd. Apparaten zoals mobiele telefoons, computers en IP -telefoons die internet gebruiken, verbinden iedereen met hun regio, het hele land en zelfs met het wereldwijde communicatienetwerk. Signalen die worden uitgestoten door computers en mobiele telefoons verzamelen zich bijvoorbeeld bij lokale communicatie -operator -basisstations en apparatuur voor netwerkprovider, en worden vervolgens naar verschillende delen van de wereld verzonden via glasvezelkabels in onderzeeërkabels.

De realisatie van dagelijkse activiteiten zoals videogesprekken, online winkelen, videogames en binge kijken al allemaal afhankelijk van de ondersteuning en hulp achter de schermen. De opkomst van optische netwerken heeft ons leven comfortabeler en gemakkelijker gemaakt.