Znanje

Оптички каблови преносе информације тако што шаљу светлосне сигнале дуж ултра-танких влакана од стаклених или пластичних влакана, дајући знатно већу брзину, капацитет и опсег преноса у поређењу са традиционалним бакарним жицама. Изграђени од три кључна слоја - унутрашњег језгра, околног омотача и спољашњег заштитног премаза -, ови каблови служе као окосница модерних широкопојасних мрежа, телекомуникацијске инфраструктуре и индустријских комуникационих система. Разумевањекако функционишу оптичка влакнаможе у великој мери помоћи у решавању неких изазовних проблема.

Шта је оптичко влакно

Оптичко влакноје комуникациони проводник који користи светлост као свој носилац информација и стакло или пластику као свој преносни медиј. Основни процес функционише на следећи начин: електрични сигнали се претварају у светлосне импулсе, преносе великом брзином кроз изузетно танке стаклене нити, а затим се на пријемном крају претварају назад у електричне сигнале. Стандардно комуникационо влакно има пречник од око 125 микрометара - отприлике исти као људска коса. Упркос овом невероватно танком попречном-пресеку, унутрашњост има прецизну вишеслојну-концентричну структуру, при чему сваки слој има независну функцију.

Важно је разликовати оптичко влакно од оптичког кабла. Аоптички каблје комплетан склоп кабла који садржи једно или више оптичких влакана заједно са елементима за снагу и заштитним омотима, дизајнираним да преносе податке као импулсе светлости на велике удаљености.

Четири{0}}слојна физичка структура оптичког кабла

Да разумемод чега је направљен оптички кабл, хајде да поближе погледамо његова четири прецизно{0}}пројектована слоја изнутра ка споља.

Цоре

Смештено у самом центру, језгро има пречник у распону од 8 до 62,5 микрометара и служи као стварни канал кроз који путују светлосни сигнали. Језгро је направљено од силицијум диоксида високе - чистоће (СиО₂) допираног у траговима германијума (Ге) да би се повећао индекс преламања. Чистоћа језгра директно одређује даљину преноса сигнала и нивое губитака - комуникациони-влакна захтевају чистоћу стакла од 99,99% или више.

Облагање

Тхеоблога каблова од оптичких влаканаокружује језгро уједначеног пречника од 125 микрометара. Такође је направљен од силицијум диоксида, али са другачијом допинг формулом која му даје нешто нижи индекс преламања од језгра. Ова разлика у индексу преламања је физички предуслов који омогућава пренос светлосног сигнала - без ње, светлост би једноставно исцурила из влакна.

премаз (пуфер)

Један или два слоја УВ{0}}очврслог акрилатапремазивањесе наносе преко облоге, чиме се укупни пречник влакана доводи до 250 микрометара. Премаз штити голо стакло од микросавијања, гребања и продора влаге. Деградација премаза је један од примарних узрока опадања перформанси влакана након-дуготрајне употребе.

Јакна

Најудаљенија заштитна структура је типично направљена од полиетилена (ПЕ) или поливинил хлорида (ПВЦ), са неким специјализованим применама које користе материјале са ниским димом без халогена (ЛСЗХ). Јакна такође може да садржи арамидна влакна (Кевлар), челичну жицу или шипке од пластике ојачане стакленим влакнима (ФРП) као елементе чврстоће за отпорност на затезање, притисак и напрезање савијања током уградње.

Заједно, ова четири слоја - високе-језгре од силицијум диоксида, омотач од допираног силицијум диоксида, акрилатни премаз и полимерни омотач - чине суштинскиматеријали од оптичких влакананалази у сваком комуникацијском{0}}каблу.

У стварним применама, десетине до хиљаде оптичких влакана су повезане заједно у оптички кабл. Оптички кабл и оптичко влакно су два различита концепта: влакно је медиј за пренос; кабл је комплетан производ који се састоји од влакана, чврстих елемената и заштитних омотача.

Како функционишу оптички каблови

Тотална унутрашња рефлексија

Основни принцип изакако оптички каблови преносе податкеје Тотална унутрашња рефлексија (ТИР). Када светлост путује из средине са већим индексом преламања у медијум са нижим индексом преламања, а упадни угао премашује критични угао, светлост се рефлектује 100% назад на страну са вишим-индексом уместо да пролази кроз интерфејс. Оптика користи управо овај принцип: индекс преламања језгра (приближно 1,467) је већи од индекса омотача (приближно 1,460), тако да се светлосни сигнали непрекидно одбијају од интерфејса омотача језгра- под плитким угловима који се простиру дуж влакна.

Кључни параметар овде је нумерички отвор бленде (НА). НА описује максимални опсег угла преко којег влакно може да прихвати долазну светлост, одређен разликом индекса преламања између језгра и омотача. Већи НА обезбеђује већу толеранцију спајања, што олакшава поравнавање са извором светлости, али такође повећава дисперзију и деградира квалитет сигнала. Ово је један од кључних компромиса-у дизајну влакана.

Комплетна оптичка комуникациона веза

Да разумемкако функционише оптички каблу стварном-светском систему, морамо да погледамо три основне фазе једногкомуникација оптичким влакнималинк.

предајник:Електрични сигнали се прво кодирају у дигитални низ импулса (0с и 1с), а затим их извор светлости претвара у оптичке импулсе. Постоје две врсте извора светлости: ласерске диоде (ЛД) и-диоде које емитују светлост (ЛЕД). Ласерске диоде нуде већу излазну снагу, ужу спектралну ширину и веће стопе модулације, што их чини погодним за велике-раздаљине, велике- сценарије. ЛЕД диоде су ниже-али имају ширу спектралну ширину, погодне за апликације на кратким{9}}раздаљинама.

Влакна (преносни сегмент):Када оптички импулси уђу у влакно, они се шире дуж језгра. У преносу{1}}на даљину, оптичка појачала се постављају у правилним интервалима да би се компензовало слабљење сигнала. Модерно мултиплексирање густе таласне дужине (ДВДМ) технологија оптичких влаканаможе истовремено да преноси 80 до 160 различитих канала таласне дужине у једном влакну, од којих сваки независно преноси податке, омогућавајући појединачни-капацитет једног влакна на терабита-по-нивоу у секунди.

Пријемник:Фотодетектор (обично ПИН фотодиода или лавинска фотодиода, АПД) претвара примљене оптичке импулсе назад у електричне сигнале, који се затим враћају у оригиналне податке кроз кола за опоравак такта и одлучивање.

Слабљење сигнала

Пренос светлости кроз влакна није процес без губитака. Слабљење сигнала је основно ограничење уоптичка комуникацијапројектовање система.

Слабљење долази из три главна извора. Први је апсорпција материјала - резидуалних хидроксилних јона (ОХ⁻) у стаклу који стварају апсорпционе врхове на одређеним таласним дужинама (око 1383 нм), због чега савремена комуникациона влакна првенствено користе прозоре са малим-губицима од 1310 нм и 1550 нм. Други је Рејлејево расејање - интеракције између светлости и неправилности микроскопске густине у стаклу узрокују губитке расејања, доминантан механизам губитка на краћим таласним дужинама. Трећи је губитак савијања -, претерано мали радијуси савијања влакана узрокују цурење светлосних сигнала из језгра.

За референцу, тренутно главно Г.652Д једномодно влакно има типично слабљење од 0,35 дБ/км на 1310 нм и 0,20 дБ/км на 1550 нм. То значи да на 1550 нм снага сигнала пада на 1% свог првобитног нивоа након путовања од 100 км. Као резултат тога, дугим{11}}магнетним линијама су потребна оптичка појачала на сваких 80 до 100 км за регенерацију сигнала.

Типови оптичких каблова:Једноструки{0}}режим наспрам више{2}}режима

Оптичка влакна су класификована у две главне категорије на основу броја начина преноса. Овеврсте оптичких кабловасуштински се разликују по физичким параметрима, спецификацијама перформанси и одговарајућим апликацијама.

Једномодно влакно (СМФ)

Једномодно{0}} влакно има пречник језгра од 8 до 10 микрометара и дозвољава само једном основном моду (ЛП01) да се шири. Елиминишући интермодалну дисперзију, једно-модно влакно постиже пропусни опсег-производ удаљености који је далеко већи од више-модних влакана, што га чини стандардним избором за комуникацију на средњим- и-даљинама.

Типичне радне таласне дужине су 1310 нм и 1550 нм, користећи ласерске диоде са дистрибуираном повратном спрегом (ДФБ-ЛД) као изворе светлости. Удаљеност преноса може достићи десетине до стотине километара (прошириво на хиљаде километара помоћу оптичких појачала). Код боје спољне јакне је жута.

Уобичајене стандардне ознаке укључују ИТУ-Т Г.652 (стандардни једноструки-режим), Г.655 (не-померену дисперзију) и Г.657 (неосетљив на савијање, дизајниран за примену ФТТХ).

Више{0}}модно влакно (ММФ)

Више{0}}модно влакно има пречник језгра од 50 или 62,5 микрометара, што омогућава стотине до хиљадемодови оптичких влаканада се истовремено пропагирају. Различити модови путују различитим брзинама, стижу до пријемника у различито време - феномен који се зове интермодална дисперзија - која директно ограничава даљину и пропусни опсег вишемодног влакна.

Типичне радне таласне дужине су 850 нм и 1300 нм, користећи ВЦСЕЛ (вертицал Цавити Сурфаце Емиттинг Ласерс) или ЛЕД диоде као изворе светлости. Удаљености преноса су обично унутар неколико стотина метара. За идентификацију боје јакне: ОМ3/ОМ4 користи аква, ОМ5 користи зелену лимету, а ОМ1/ОМ2 користи наранџасту.

Критеријуми за избор

Међуразличите врсте оптичких каблова, одлучујући фактор је даљина преноса. За удаљености испод 300 метара -, као што су интерконекције унутар-дата-центра и-кабловски каблови у згради - више- влакно нуди предност у трошковима, пошто су његови компатибилни оптички модули знатно јефтинији од једномодних{{8}еквивалената. Преко 500 метара - окосница кампуса, градских мрежа и дугих{12}}магнетних линија - једномодних- влакана је једина одржива опција. У оквиру својих оптималних распона удаљености, ниједан тип није универзално супериоран; више{16}}решење често доноси ниже укупне трошкове власништва.

Како се праве оптички каблови

Производња оптичких влакананалази се на раскрсници прецизног хемијског инжењерства и оптичке науке. Цео процес је подељен у две фазе: израда предформе и извлачење влакана.

Преформ Фабрицатион

Предформа је стаклена шипка-високе чистоће пречника приближно 10 до 20 центиметара и дужине око 1 метар, са профилом индекса преламања омотача{4}}језгра који је већ успостављен изнутра. Постоје четири главне методе производње: МЦВД (Модификовано хемијско таложење паре), ОВД (Таложење вањске паре), ВАД (аксијално таложење паром) и ПЦВД (Плазма хемијско таложење паром).

Узимајући ОВД процес као пример: гасови силицијум тетрахлорид (СиЦл₄) високе- чистоће (СиЦл₄) и германијум тетрахлорид (ГеЦл₄) пролазе кроз реакције оксидације у пламену водоника-кисеоника. Настале честице СиО₂ и ГеО₂ се таложе на ротирајући циљни штап, изграђујући слој по слој да би се формирало порозно стаклено тело (названо „преформа чађи“), које се затим дехидрира на високој температури, синтерује и колабира у чврсту, провидну предформу.

Једна предформа може дати стотине километара влакана. Квалитет преформе одређује све карактеристике оптичких перформанси влакна - укључујући параметре слабљења, дисперзије и таласне дужине пресека - који су закључани у фази преформе и не могу се исправити током процеса цртања.

Фибер Дравинг

Предформа се доводи у торањ за извлачење, вертикалну структуру висине приближно 20 до 30 метара. Доњи крај предформе се загрева на приближно 2.000 степени да омекша стакло, које се затим под контролом гравитације и напетости увлачи у влакно пречника 125 микрометара. Брзина цртања може да достигне 1.000 до 2.500 метара у минути.

Током процеса цртања, влакно пролази кроз линијски ласерски мерач пречника за-надгледање у реалном времену са тачношћу од ±0,1 микрометара, а затим одмах улази у фазу премаза - два слоја акрилата се очвршћавају под УВ лампама, чиме се пречник влакна доводи до 250 микрометара. Цео процес од омекшавања до наношења премаза очвршћава за мање од једне секунде.

Након извлачења, влакно се подвргава пробном тестирању, обично подвргнутом напетости од 0,69 ГПа (приближно 1% деформације) како би се елиминисали делови који садрже микропукотине, чиме се осигурава да механичка поузданост испорученог влакна испуњава захтев за 25-годишњи радни век.

Предности оптичког кабла у односу на бакар

Када упоредимо влакна са бакром,предности оптичких влаканапостану одмах јасни. Табела у наставку наглашава зашто је оптичко влакно постало преферирани медиј за модерне мреже.

Влакна и бакар су комплементарни, а не конкурентни. Тренутна главна мрежна архитектура прати принцип „влакна-до--ивице“ - слојеви кичме и агрегације користе влакна, док приступни слој (последњих неколико десетина метара до крајњих уређаја) наставља да користи бакар. Не очекује се да ће се овај архитектонски образац суштински променити у наредних 5 до 10 година.

Примене оптичких влакана

Тхекористи за оптичка влакнаобухватају скоро сваку индустрију, од телекомуникација до медицине. Ево кључних области примене.

Телеком и Интернет окосница

Глобални интернет ради на влакнима. Подморски оптички каблови и земаљски дуголинијски-каблови за велике даљине повезују континенте. 5Мреже Г базних станица фронтхаул и мидхаул такође се ослањају на влакна, при чему је свакој базној станици потребно 6 до 12 језгара са влакнима. У овој скали,коришћење оптичког кабла у умрежавањучини саму окосницу глобалне повезаности.

Дата Центерс

Центри за податке користе ОМ3/ОМ4 више-модно влакно за интерне интерне везе на кратким-раздаљинама великих-брзина. Између центара података, користи се једно-модно влакно са кохерентном оптичком комуникационом технологијом, са -брзином по таласној дужини која већ достиже 400Г и 800Г у примени.

ФТТХ (Фибер то тхе Хоме)

ФТТХ доводи влакна директно до резиденцијалних корисника, користећи технологију ПОН (пасивна оптичка мрежа) за дистрибуцију оптичких сигнала више крајњих корисника, постижући широкопојасни приступ гигабит{0}}класе по ниској цени.

Индустриал анд Сенсинг

Сензори са оптичким влакнима се користе за праћење температуре и напрезања, широко се користе у нафтоводима и гасоводима, кабловима за напајање, системима за упозоравање на пожар у тунелима и-надгледању здравља конструкција великих размера.

Медицински

Примена оптичких влаканау медицини наставља да се шири - ендоскопи, хируршки ласери и системи за снимање који се ослањају на оптичка влакна за осветљење, снимање и прецизну хируршку подршку.

Војска и ваздухопловство

Оптичка влакна замењују бакар у војним комуникацијама, магистралама података и ваздухопловним системима, нудећи ЕМИ имунитет и отпорност на прислушкивање. Жироскопи са оптичким влакнима се широко користе у системима за навођење авиона и пројектила.