Optiliste kiudude leiutis on ajendanud revolutsiooni suhtluse valdkonnas. Kui suure võimsusega kiirete kanalite pakkumiseks pole optilist kiudainet, võib Internet püsida ainult teoreetilises etapis. Kui 20. sajand oli elektrienergia ajastu, siis 21. sajand on valguse ajastu. Kuidas valgus suhtleb? Õppime koos alloleva toimetajaga optilise suhtluse põhiteadmisi.
1. osa. Põhiteadmised valguse leviku kohta
Valguslainete mõistmine
Valguslained on tegelikult elektromagnetilised lained ja vabas ruumis on elektromagnetiliste lainete lainepikkus ja sagedus pöördvõrdeliselt proportsionaalsed. Nende kahe toode on võrdne valguse kiirusega, see tähendab:
Elektromagnetilise spektri moodustamiseks korraldage elektromagnetiliste lainete lainepikkused või sagedused. Erinevate lainepikkuste või sageduste kohaselt saab elektromagnetilisi laineid jagada kiirituspiirkonda, ultraviolettpiirkonda, nähtavat valguse piirkonda, infrapunapiirkonda, mikrolainepiirkonda, raadiolaine piirkonda ja pika laine piirkonda. Suhtlemiseks kasutatavad ribad on peamiselt infrapunapiirkond, mikrolaineahi ja raadiolaine piirkond. Järgmine pilt aitab teil mõista kommunikatsiooniribade jagunemist ja vastavat levimismeediat mõne minutiga.
Selle artikli peategelane “Fiiberoptiline kommunikatsioon” kasutab infrapunaribas kergeid laineid. Kui rääkida sellest hetkest, võivad inimesed küsida, miks see peab olema infrapunaribas? See probleem on seotud optiliste kiudude materjalide optilise ülekandega, nimelt ränidioksiidiklaasiga. Järgmisena peame mõistma, kuidas optilised kiud valgust edastavad.
Valguse murdumine, peegeldus ja täielik peegeldus
Kui valgust eraldub ühelt ainest teise, ilmnevad murdumine ja peegeldus kahe aine vahelise liidese juures ja murdumisnurk suureneb langeva valguse nurga all. Nagu näidatud joonisel ① → ②. Kui langev nurk jõuab või ületab teatud nurga, kaob murdunud tuli ja kogu langev valgus peegeldub tagasi, mis on valguse täielik peegeldus, nagu on näidatud ② → ③ järgmisel joonisel.
Erinevatel materjalidel on erinevad murdumisnäitajad, seega on valguse leviku kiirus erinevates söötmetes erinev. Murdumisindeksit tähistab n, n = c/v, kus C on vaakumi kiirus ja V on söötme levimiskiirus. Kõrgema murdumisnäitajaga söödet nimetatakse optiliselt tihedaks söötmeks, madalama murdumisnäitajaga söödet aga optiliselt hõredaks söötmeks. Kaks kogu peegelduse tingimust on:
1. ülekanne optiliselt tihedast söötmest kuni optiliselt hõreda keskmise keskmiseni
2. Langendnurk on suurem või võrdne kogu peegelduse kriitilise nurgaga
Optilise signaali lekke vältimiseks ja ülekandekadu vähendamiseks ilmneb optiliste kiudude ülekandumine kogu peegelduse tingimustes.
2. osa. Sissejuhatus optilisesse levimiskeskkonda (kiudoptiline)
Põhiteadmiste abil täieliku peegelduse valguse leviku kohta on optiliste kiudude kujundusstruktuurist lihtne mõista. Optiliste kiudude paljas kiud jaguneb kolmeks kihiks: esimene kiht on südamik, mis asub kiu keskel ja koosneb kõrge puhtusega ränidioksiidist, tuntud ka kui klaasi. Tuuma läbimõõt on tavaliselt 9-10 mikronit (üherežiim), 50 või 62,5 mikronit (mitme režiimi). Kiudüdamikus on kõrge murdumisnäitaja ja seda kasutatakse valguse edastamiseks. Teine kihi katted: asub kiu südamiku ümber, koosneb ka ränidioksiidiklaasist (tavaliselt 125 mikroni läbimõõduga). Katkestuse murdumisnäitaja on madal, moodustades koos kiu südamikuga täieliku peegelduse. Kolmas kattekiht: välimine kiht on tugevdatud vaigukate. Kaitsekihi materjalil on kõrge tugevus ja see talub suuri mõjusid, kaitstes optilist kiudainet veeauru erosiooni ja mehaanilise hõõrdumise eest.
Kiudoptilise ülekande kaotus on väga oluline tegur, mis mõjutab kiudoptilise kommunikatsiooni kvaliteeti. Peamised tegurid, mis põhjustavad optiliste signaalide nõrgenemist, hõlmavad materjalide neeldumist, hajumise kadu ülekande ajal ja muid kadusid, mis on põhjustatud sellistest teguritest nagu kiudaine painutamine, kokkusurumine ja dokkimiskao.
Valguse lainepikkus on erinev ja ka optiliste kiudude ülekande kaotus on erinev. Kaotuse minimeerimiseks ja ülekandeefekti tagamiseks on teadlased pühendunud kõige sobivama valguse leidmisele. Valgus lainepikkuse vahemikus 1260Nm ~ 1360Nm on väikseim signaali moonutamine, mis on põhjustatud dispersioonist ja madalaimast neeldumiskaost. Algusaegadel võeti see lainepikkuse vahemik optilise kommunikatsiooniribana vastu. Hiljem, pärast pikka uurimist ja harjutamist, võtsid eksperdid järk -järgult kokku madala kadude lainepikkuse vahemiku (1260Nm ~ 1625Nm), mis sobib kõige paremini optiliste kiudude edastamiseks. Nii et kiudoptilises suhtluses kasutatavad valguselained on üldiselt infrapunaribas.
Multimode optiline kiud: edastab mitu režiimi, kuid suur modaalne dispersioon piirab digitaalasignaalide edastamise sagedust ja see piirang muutub ülekandekauguse suurenemisega tõsisemaks. Seetõttu on multimoodilise kiudoptilise ülekande kaugus suhteliselt lühike, tavaliselt vaid mõni kilomeetrit.
Üherežiimi kiud: väga väikese kiudaine läbimõõduga saab edastada teoreetiliselt ainult ühte režiimi, muutes selle kaugsuhtluseks sobivaks.
| Võrdlusühik | Multimoodiline kiud | Ühe režiimi kiud |
| Kiudoptilised kulud | kõrge hind | odav kulu |
| Ülekandeseadmete nõuded | Madalad seadmete nõuded, madalad seadmekulud | kõrge seadme nõuded, suure valgusallika nõuded |
| Sumbumine | kõrge | madal |
| Edastuslainepikkus: 850NM-1300NM | 1260NM-1640NM | |
| Mugav kasutada | suurem südamiku läbimõõt, hõlpsasti käsitsetav | keerukam ühendus kasutamiseks |
| Ülekandevahemik | kohalik võrk | |
| (alla 2km) | juurdepääsuvõrk | keskmise ja pikamaavõrk |
| (Suurem kui 200 km) | ||
| Ribalaius | Piiratud ribalaius | Peaaegu piiramatu ribalaius |
| Järeldus | Kiudoptiline on kallim, kuid võrgu aktiveerimise suhteline maksumus on madalam | Suurem jõudlus, kuid võrku loomise kõrgemad kulud |
3. osa. Fiiberoptilise sidesüsteemi tööpõhimõte
Tavaliselt kasutatavad kommunikatsioonitooted, näiteks mobiiltelefonid ja arvutid, edastavad teavet elektriliste signaalide kujul. Optilise suhtluse läbiviimisel on esimene samm teisendada elektrilised signaalid optilisteks signaalideks, edastada need läbi kiudoptiliste kaablite ja seejärel teisendada optilised signaalid elektrilisteks signaalideks, et saavutada teabe edastamise eesmärk. Põhiline optiline sidesüsteem koosneb optilisest saatjast, optilisest vastuvõtjast ja kiudoptilisest vooluringist valguse edastamiseks. Pikamaasignaali ülekande kvaliteedi tagamiseks ja ülekande ribalaiuse parandamiseks kasutatakse tavaliselt optilisi kordusi ja multipleksereid.
Allpool on lühike sissejuhatus kiudoptilise sidesüsteemi iga komponendi tööpõhimõttesse.
Optiline saatja:teisendab elektrilised signaalid optilisteks signaalideks, mis koosnevad peamiselt signaalimodulaatoritest ja valgusallikatest.
Signaali multiplekser:Paarid erinevad erineva lainepikkusega optilise kandesignaali samasse optiliste kiudude edastamiseks, saavutades ülekandevõimsuse kahekordistamise.
Optiline kordaja:Ülekande ajal halvenevad signaali lainekuju ja intensiivsus, seetõttu on vaja taastada lainekuju algse signaali kena lainekuju ja suurendada valguse intensiivsust.
Signaal demultiplexer:Lahutage multipleksitud signaal selle algseteks individuaalseteks signaalideks.
Optiline vastuvõtja:teisendab vastuvõetud optilise signaali elektrisignaaliks, mis koosneb peamiselt fotodetektorist ja demodulaatorist.
4. osa. Optilise suhtluse eelised ja rakendused
1. pikk relee vahemaa, ökonoomne ja energiasäästlik
Eeldades, et 10 Gbps (10 miljardit 0 või 1 signaali sekundis) edastamine, kui kasutatakse elektrisidet, tuleb signaal vahetada ja reguleerida iga paarisaja meetri tagant. Sellega võrreldes võib optilise suhtluse kasutamine saavutada üle 100 kilomeetri releekauguse. Mida vähem korda signaali reguleeritakse, seda madalam on kulud. Teisest küljest on optilise kiu materjal ränidioksiid, millel on rikkalikud reservid ja palju madalamad kui vasktraadil. Seetõttu on optilisel suhtlusel majanduslik ja energiasäästlik mõju.
2. kiire teabe edastamine ja kõrge suhtluse kvaliteet
Näiteks välismaal sõpradega vesteldes või veebis vestledes pole heli nii mahajäänud kui varem. Telekommunikatsiooni ajastul tugineb rahvusvaheline suhtlus peamiselt kunstlikele satelliitidele kui edastamise releedele, mille tulemuseks on pikemad ülekandeteed ja aeglasem signaali saabumine. Ja optiline suhtlus allveelaeva kaablite abil lühendab ülekandevahetust, muutes teabe edastamise kiiremini. Seetõttu võib optilise kommunikatsiooni kasutamine saavutada sujuvama suhtluse välismaaga.
3. tugev sekkumisvastane võime ja hea konfidentsiaalsus
Elektrisuhtlus võib esineda elektromagnetilisest häiretest tingitud vigu, mis põhjustab kommunikatsiooni kvaliteedi vähenemist. Kuid elektriline müra ei mõjuta optilist suhtlust, muutes selle turvalisemaks ja usaldusväärsemaks. Ja kogu peegelduse põhimõtte tõttu piirdub signaal täielikult optilise kiuga, nii et konfidentsiaalsus on hea.
4. suur ülekandevõimsus
Üldiselt saab elektriline suhtlus edastada ainult 10 Gbps (10 miljardit 0 või 1 signaali sekundis), samas kui optiline suhtlus võib edastada 1TBPS (1 triljonit 0 või 1 signaali) teavet.
Optilisel suhtlusel on palju eeliseid ja see on integreeritud meie elu igasse nurka alates selle arendamisest. Internetti kasutavad seadmed nagu mobiiltelefonid, arvutid ja IP -telefonid ühendavad kõiki oma piirkonna, kogu riigi ja isegi ülemaailmse kommunikatsioonivõrguga. Näiteks kogunevad arvutite ja mobiiltelefonide eralduvad signaalid kohalikes kommunikatsioonioperaatori tugijaamades ja võrguteenuse pakkujate seadmetes ning edastatakse seejärel allveelaeva kaablite kiudoptiliste kaablite kaudu maailma erinevatesse osadesse.
Igapäevaste tegevuste, näiteks videokõnede, veebikaubanduse, videomängude ja liigse vaatamise realiseerimine, tuginevad kõik selle toetusele ja abile kulisside taga. Optiliste võrkude tekkimine on muutnud meie elu mugavamaks ja mugavamaks.
Postiaeg: 31-2025
