Znanje

Kabli z optičnimi vlakni prenašajo informacije s pošiljanjem svetlobnih signalov vzdolž ultra-tankih pramenov steklenih ali plastičnih vlaken, kar zagotavlja bistveno večjo hitrost, zmogljivost in obseg prenosa v primerjavi s tradicionalno bakreno žico. Zgrajeni iz treh ključnih plasti - notranjega jedra, okoliške obloge in zunanje zaščitne prevleke - ti kabli služijo kot hrbtenica sodobnih širokopasovnih omrežij, telekomunikacijske infrastrukture in industrijskih komunikacijskih sistemov. Razumevanjekako delujejo optična vlaknalahko zelo pomaga pri reševanju nekaterih zahtevnih problemov.

Kaj je optično vlakno

Optična vlaknaje komunikacijski prevodnik, ki za nosilec informacij uporablja svetlobo, za prenosni medij pa steklo ali plastiko. Osnovni proces deluje na naslednji način: električni signali se pretvorijo v svetlobne impulze, ki se prenašajo z visoko hitrostjo skozi izredno tanke steklene niti, nato pa se na sprejemnem koncu pretvorijo nazaj v električne signale. Standardno komunikacijsko vlakno ima premer približno 125 mikrometrov -, kar je približno enako kot človeški las. Kljub temu neverjetno tankemu-preseku ima notranjost natančno več-slojno koncentrično strukturo, pri čemer ima vsaka plast neodvisno funkcijo.

Pomembno je razlikovati med optičnimi vlakni in optičnimi kabli. Aoptični kabelje celoten kabelski sklop, v katerem je eno ali več optičnih vlaken skupaj z močnimi elementi in zaščitnimi plašči, zasnovanimi za prenos podatkov kot svetlobnih impulzov na velike razdalje.

Štiri{0}}plastna fizična struktura kabla iz optičnih vlaken

Razumetiiz česa je izdelan optični kabel, si poglejmo njegove štiri natančno-izdelane plasti od znotraj navzven.

Jedro

Jedro, ki se nahaja v samem središču, ima premer od 8 do 62,5 mikrometrov in služi kot dejanski kanal, skozi katerega potujejo svetlobni signali. Jedro je narejeno iz -silicijevega dioksida (SiO₂) visoke čistosti, dopiranega s sledovi germanija (Ge), da se poveča njegov lomni količnik. Čistost jedra neposredno določa razdaljo prenosa signala in ravni izgube - komunikacija-oplakna razreda zahtevajo čistost stekla 99,99 % ali več.

Obloge

Theobloga kabla iz optičnih vlakenobdaja jedro z enakomernim premerom 125 mikrometrov. Prav tako je izdelan iz silicijevega dioksida, vendar z drugačno formulo dopinga, ki mu daje nekoliko nižji lomni količnik kot jedro. Ta razlika v lomnem količniku je fizični predpogoj, ki omogoča prenos svetlobnega signala - brez nje bi svetloba preprosto uhajala iz vlakna.

Premaz (pufer)

Ena ali dve plasti UV{0}}utrjenega akrilatapremazovanjese nanesejo čez oblogo, tako da skupni premer vlaken doseže 250 mikrometrov. Prevleka ščiti golo steklo pred mikroupogibi, praskami in vdorom vlage. Degradacija prevleke je eden glavnih vzrokov za upad učinkovitosti vlaken po dolgotrajni-rabi.

Jakna

Najbolj zunanja zaščitna struktura je običajno izdelana iz polietilena (PE) ali polivinilklorida (PVC), pri nekaterih specializiranih aplikacijah pa se uporabljajo materiali z nizko vsebnostjo dima in nič halogena (LSZH). Plašč lahko vsebuje tudi aramidna vlakna (Kevlar), jekleno žico ali palice iz plastike, ojačane s steklenimi vlakni (FRP) kot trdnostne elemente za odpornost na natezne, tlačne in upogibne napetosti med namestitvijo.

Ti štirje sloji - visoke-jedra iz silicijevega dioksida visoke čistosti, obloge iz dopiranega silicijevega dioksida, akrilatne prevleke in polimernega plašča - sestavljajo bistvenmateriali iz optičnih vlakennajdemo v vseh komunikacijskih-kablih.

Pri dejanskih uvedbah je na desetine do tisoče optičnih vlaken povezanih v optični kabel. Optični kabel in optično vlakno sta dva različna pojma: vlakno je prenosni medij; kabel je celoten izdelek, ki ga sestavljajo vlakna, trdnostni elementi in zaščitni plašči.

Kako delujejo kabli iz optičnih vlaken

Popolni notranji odsev

Temeljno načelo v ozadjukako optični kabli prenašajo podatkeje popolni notranji odsev (TIR). Ko svetloba potuje iz medija z višjim lomnim količnikom v medija z nižjim lomnim količnikom in vpadni kot presega kritični kot, se svetloba 100 % odbije nazaj na stran z višjim-indeksom, namesto da bi šla skozi vmesnik. Optična vlakna izkoriščajo natanko to načelo: lomni količnik jedra (približno 1,467) je višji od lomnega količnika ovoja (približno 1,460), zato se svetlobni signali neprekinjeno odbijajo od vmesnika jedra-ohišja pod plitvimi koti strmljenja in se širijo vzdolž vlakna.

Ključni parameter pri tem je numerična apertura (NA). NA opisuje največji obseg kota, v katerem lahko vlakno sprejme vhodno svetlobo, ki ga določa razlika v lomnem količniku med jedrom in oblogo. Večji NA zagotavlja večjo toleranco za spajanje, zaradi česar je lažje poravnati z virom svetlobe, vendar tudi poveča disperzijo in poslabša kakovost signala. To je eden od ključnih kompromisov-pri oblikovanju vlaken.

Popolna optična komunikacijska povezava

Razumetikako deluje optični kabelv sistemu-resničnega sveta si moramo ogledati tri ključne stopnjekomunikacija po optičnih vlaknihpovezava.

Oddajnik:Električni signali so najprej kodirani v zaporedje digitalnih impulzov (0s in 1s), nato pa jih vir svetlobe pretvori v optične impulze. Obstajata dve vrsti svetlobnih virov: laserske diode (LD) in svetleče -diode (LED). Laserske diode ponujajo večjo izhodno moč, ožjo spektralno širino in hitrejše stopnje modulacije, zaradi česar so primerne za velike-razdalje in visoke-hitre scenarije. Svetleče diode so cenejše-, vendar imajo širšo spektralno širino, primerne za-aplikacije na kratkih razdaljah.

Fiber (prenosni segment):Ko optični impulzi vstopijo v vlakno, se širijo vzdolž jedra. Pri prenosu-na velike razdalje so optični ojačevalniki nameščeni v rednih intervalih, da kompenzirajo oslabitev signala. Sodobno multipleksiranje z gosto valovno dolžino (DWDM) tehnologija optičnih vlakenlahko hkrati prenaša od 80 do 160 kanalov različnih valovnih dolžin v enem vlaknu, pri čemer vsak neodvisno prenaša podatke, kar omogoča zmogljivost enega-vlakna na ravni terabitov-na-sekundo.

Sprejemnik:Fotodetektor (običajno fotodioda PIN ali lavinska fotodioda, APD) pretvori prejete optične impulze nazaj v električne signale, ki se nato obnovijo v izvirne podatke prek okrevanja ure in odločitvenih vezij.

Slabljenje signala

Prenos svetlobe skozi vlakna ni proces brez izgub. Slabljenje signala je glavna omejitevkomunikacija po optičnih vlaknihnačrtovanje sistema.

Slabljenje prihaja iz treh glavnih virov. Prvi je absorpcija materiala - preostali hidroksilni ioni (OH⁻) v steklu ustvarjajo vrhove absorpcije pri določenih valovnih dolžinah (okoli 1383 nm), zato sodobna komunikacijska vlakna uporabljajo predvsem okna z nizkimi-izgubami 1310 nm in 1550 nm. Drugi je Rayleighovo sipanje - interakcije med svetlobo in mikroskopskimi nepravilnostmi gostote v steklu povzročajo izgube zaradi sipanja, prevladujoč mehanizem izgube pri krajših valovnih dolžinah. Tretja je izguba zaradi upogiba - pretirano majhni radiji upogiba vlakna povzročajo uhajanje svetlobnih signalov iz jedra.

Za referenco ima trenutno glavno eno-načinsko vlakno G.652D tipično slabljenje 0,35 dB/km pri 1310 nm in 0,20 dB/km pri 1550 nm. To pomeni, da pri 1550 nm moč signala pade na 1 % prvotne ravni po prevoženih 100 km. Posledično magistralni vodi-na dolge razdalje potrebujejo optične ojačevalnike vsakih 80 do 100 km za regeneracijo signala.

Vrste optičnih kablov:Enojni-način v primerjavi z več-načinom

Optična vlakna so glede na število načinov prenosa razvrščena v dve veliki kategoriji. tevrste kablov iz optičnih vlakenbistveno razlikujejo v fizičnih parametrih, specifikacijah delovanja in primernih aplikacijah.

Enoj{0}}optično vlakno (SMF)

Enoj{0}}načinsko vlakno ima premer jedra od 8 do 10 mikrometrov in omogoča širjenje samo enega osnovnega načina (LP01). Z odpravo intermodalne disperzije eno-optično vlakno doseže pasovno širino-razdalje, ki močno presega produkt več-načinovnega vlakna, zaradi česar je standardna izbira za- in-komunikacijo na srednje-razdalje.

Običajni delovni valovni dolžini sta 1310 nm in 1550 nm, pri čemer se kot viri svetlobe uporabljajo laserske diode s porazdeljeno povratno informacijo (DFB-LD). Oddajna razdalja lahko doseže več deset do sto kilometrov (razširljiva na tisoče kilometrov z optičnimi ojačevalniki). Barvna oznaka zunanjega plašča je rumena.

Oznake glavnih standardov vključujejo ITU-T G.652 (standardni enojni-način), G.655 (ne-zamaknjena disperzija) in G.657 (-neobčutljiv na ovinek, zasnovan za uvedbo FTTH).

Multi{0}}Mode Fiber (MMF)

Več-načinovno vlakno ima premer jedra 50 ali 62,5 mikrometrov, kar omogoča na stotine do tisočenačini optičnih vlakenda se hkrati razmnožuje. Različni načini potujejo z različnimi hitrostmi in prispejo do sprejemnika ob različnih časih - pojav, imenovan intermodalna disperzija -, ki neposredno omejuje razdaljo prenosa in pasovno širino več-modnega vlakna.

Običajni delovni valovni dolžini sta 850 nm in 1300 nm, pri čemer se kot vir svetlobe uporabljajo VCSEL (laserji, ki oddajajo površino z navpično votlino) ali LED. Razdalje prenosa so običajno znotraj nekaj sto metrov. Za identifikacijo barve jakne: OM3/OM4 uporablja aqua, OM5 uporablja limeta zeleno in OM1/OM2 uporablja oranžno.

Merila za izbor

Medrazlične vrste optičnih kablov, je odločilna razdalja prenosa. Za razdalje pod 300 metrov -, kot so med-medsebojne povezave-podatkovnih-centrov in-kabli v zgradbah, - več-optično vlakno ponuja stroškovno prednost, saj so njegovi združljivi optični moduli znatno cenejši od eno-ekvivalentov. Več kot 500 metrov - hrbtenice kampusa, velemestnih omrežij in-centralnih linij na dolge razdalje - eno-optično vlakno je edina izvedljiva možnost. Znotraj ustreznih optimalnih razponov razdalje nobena vrsta ni univerzalno boljša; rešitev z več-načini pogosto zagotavlja nižje skupne stroške lastništva.

Kako so izdelani kabli iz optičnih vlaken

Kabli z optičnimi vlakni so v glavnem sestavljeni iz ultra{0}}čistega kremenčevega stekla (silicijevega dioksida), ki je za prenos optičnih signalov vlečeno v filamente, tanjše od človeškega lasu. Tipičen optični kabel je sestavljen iz več ključnih komponent: osrednjega jedra, ki prenaša svetlobne signale, okoliške steklene obloge, ki omogoča notranji odboj, polimerne zaščitne prevleke, ki ščiti vlakno pred fizičnimi poškodbami, in ojačitvenih elementov, kot sta kevlar ali jeklo, ki povečajo mehansko vzdržljivost kabla..Proizvodnja optičnih vlakensedi na stičišču natančnega kemijskega inženirstva in optične znanosti. Celoten proces je razdeljen na dve stopnji: izdelava predoblike in vlečenje vlaken.

Izdelava predoblik

Predoblika je-steklena palica visoke čistosti s premerom približno 10 do 20 centimetrov in dolžino približno 1 meter, s profilom lomnega količnika-jedra, ki je že vzpostavljen v notranjosti. Obstajajo štiri glavne metode izdelave: MCVD (Modificirano kemično nanašanje s paro), OVD (Zunanje nanašanje s paro), VAD (Aksialno nanašanje s paro) in PCVD (Plasma Chemical Vapor Deposition).

Če vzamemo za primer postopek OVD: plina silicijevega tetraklorida (SiCl₄) in germanijevega tetraklorida (GeCl₄) visoke-čistosti sta podvržena oksidacijskim reakcijam v plamenu vodika-kisika. Nastali delci SiO₂ in GeO₂ se odlagajo na vrtečo se tarčno palico, pri čemer se plast za plastjo tvorijo porozno stekleno telo (imenovano "predoblika saj"), ki se nato pri visoki temperaturi dehidrira, sintra in sesede v trdno, prozorno predobliko.

Ena sama predoblika lahko proizvede na stotine kilometrov vlaken. Kakovost predoblike določa vse značilnosti optične zmogljivosti vlakna -, vključno s parametri dušenja, disperzije in mejne valovne dolžine -, ki so zaklenjeni v fazi predoblike in jih ni mogoče popraviti med postopkom vlečenja.

Risba vlaken

Predoblika se dovaja v vlečni stolp, navpično strukturo, visoko približno 20 do 30 metrov. Spodnji konec predoblike se segreje na približno 2000 stopinj, da se steklo zmehča, nato pa se pod nadzorom gravitacije in napetosti vleče v vlakno s premerom 125 mikrometrov. Hitrost vlečenja lahko doseže 1000 do 2500 metrov na minuto.

Med postopkom vlečenja gre vlakno skozi linijski laserski merilnik premera za-spremljanje v realnem času z natančnostjo ±0,1 mikrometra, nato pa takoj vstopi v fazo nanosa - dve plasti akrilata se strdita pod UV žarnicami, s čimer se premer vlakna poveča na 250 mikrometrov. Celoten postopek od mehčanja do premaza se strdi v manj kot eni sekundi.

Po vlečenju je vlakno podvrženo preizkusu, ki je običajno izpostavljen napetosti 0,69 GPa (približno 1 % napetosti), da se odstranijo deli, ki vsebujejo mikrorazpoke, s čimer se zagotovi, da mehanska zanesljivost poslanega vlakna izpolnjuje zahtevo 25-letne življenjske dobe.

Prednosti optičnega kabla pred bakrenim

Če primerjate vlakna z bakrom,prednosti optičnih vlakenpostane takoj jasno. Spodnja tabela poudarja, zakaj so vlakna postala prednostni medij za sodobna omrežja.

Vlakna in baker se dopolnjujejo, niso konkurenčni. Trenutna prevladujoča omrežna arhitektura sledi načelu »optična-do--roba« - hrbtenica in združevalne plasti uporabljajo optična vlakna, medtem ko dostopna plast (zadnjih nekaj deset metrov do končnih naprav) še naprej uporablja baker. Ta arhitekturni vzorec naj se ne bi bistveno spremenil v naslednjih 5 do 10 letih.

Aplikacije optičnih vlaken

Theuporablja za optična vlaknapokrivajo skoraj vse panoge, od telekomunikacij do medicine. Tukaj so ključna področja uporabe.

Telekom in internetna hrbtenica

Globalni internet deluje po optičnih vlaknih. Podmorski kabli z optičnimi vlakni in kopenski magistralni kabli-na dolge razdalje povezujejo celine. 5Omrežja baznih postaj G na sprednji in srednji razdalji se prav tako zanašajo na vlakna, pri čemer vsaka bazna postaja potrebuje od 6 do 12 optičnih jeder. V tem obsegu jeuporaba optičnega kabla v omrežjutvori samo hrbtenico globalne povezanosti.

Podatkovni centri

Podatkovni centri uporabljajo večnačinovna-optična vlakna OM3/OM4 za notranje-hitro-medsebojne povezave na kratkih{3}}razdaljah. Med podatkovnimi centri se uporablja eno-načinovno vlakno s koherentno optično komunikacijsko tehnologijo, pri čemer hitrosti na-valovno dolžino že dosegajo 400G in uvajanja 800G.

FTTH (optika do doma)

FTTH prinaša optična vlakna neposredno do rezidenčnih uporabnikov z uporabo tehnologije PON (pasivno optično omrežje) za distribucijo optičnih signalov več končnim uporabnikom, s čimer se doseže širokopasovni dostop-razreda gigabitov po nizki ceni.

Industrijski in senzorski

Senzorji z optičnimi vlakni se uporabljajo za spremljanje temperature in deformacij, široko uporabljeni v naftovodih in plinovodih, napajalnih kablih, sistemih za opozarjanje pred požarom v predorih in-obsežen nadzor zdravja konstrukcij.

Medicinski

Uporaba optičnih vlakenv medicini se še naprej širi - endoskopi, kirurški laserji in sistemi za slikanje se vsi zanašajo na optična vlakna za razsvetljavo, slikanje in natančno kirurško podporo.

Vojaški in vesoljski

Optična vlakna nadomeščajo baker v vojaških komunikacijah, podatkovnih vodilih in vesoljskih sistemih ter nudijo odpornost na elektromagnetne motnje in odpornost proti prisluškovanju. Žiroskopi z optičnimi vlakni se pogosto uporabljajo v sistemih za vodenje letal in raket.