знание

Оптичните кабели пренасят информация чрез изпращане на светлинни сигнали по ултра{0}}тънки нишки от стъклени или пластмасови влакна, осигурявайки значително по-голяма скорост, капацитет и обхват на предаване в сравнение с традиционното медно окабеляване. Изградени от три ключови слоя - вътрешно ядро, заобикаляща обвивка и външно защитно покритие -, тези кабели служат като гръбнак на съвременни широколентови мрежи, телекомуникационна инфраструктура и индустриални комуникационни системи. разбиранекак работят оптичните влакнаможе значително да помогне за решаването на някои трудни проблеми.

Какво е оптично влакно

Оптично влакное комуникационен проводник, който използва светлина като носител на информация и стъкло или пластмаса като среда за предаване. Основният процес работи по следния начин: електрическите сигнали се преобразуват в светлинни импулси, предават се с висока скорост през изключително тънки стъклени нишки и след това се преобразуват обратно в електрически сигнали в приемащия край. Стандартното комуникационно влакно има диаметър от около 125 микрометра -, което е приблизително същото като човешки косъм. Въпреки това невероятно тънко напречно-сечение, интериорът се отличава с прецизна много-слойна концентрична структура, като всеки слой изпълнява независима функция.

Важно е да се прави разлика между оптично влакно и оптичен кабел. Аоптичен кабеле цялостен кабелен комплект, който съдържа едно или повече оптични влакна заедно със здрави елементи и защитни обвивки, проектирани да предават данни като импулси светлина на дълги разстояния.

Четирий{0}}слойната физическа структура на оптичния кабел

Да разбирашот какво е направен оптичният кабел, нека разгледаме по-отблизо неговите четири прецизно-проектирани слоя отвътре навън.

Ядро

Разположено в самия център, ядрото има диаметър от 8 до 62,5 микрометра и служи като действителния канал, през който преминават светлинните сигнали. Ядрото е направено от силициев диоксид (SiO₂) с висока-чистота, добавен със следи от германий (Ge), за да се увеличи индексът му на пречупване. Чистотата на сърцевината директно определя разстоянието за предаване на сигнала и нивата на загуба - комуникация-оптичното влакно изисква чистота на стъклото от 99,99% или по-висока.

Облицовка

Theоблицовка на оптичен кабелобгражда ядрото с еднакъв диаметър от 125 микрометра. Той също е направен от силициев диоксид, но с различна допинг формула, която му дава малко по-нисък индекс на пречупване от сърцевината. Тази разлика в индекса на пречупване е физическата предпоставка, която позволява предаването на светлинен сигнал - без нея светлината просто ще изтече от влакното.

Покритие (буфер)

Един или два слоя UV{0}}втвърден акрилатпокритиесе нанасят върху облицовката, като общият диаметър на влакната достига 250 микрометра. Покритието предпазва голото стъкло от микроогъване, надраскване и проникване на влага. Деградацията на покритието е една от основните причини за намаляване на производителността на влакната след продължителна-трайна употреба.

Яке

Най-външната защитна структура обикновено е направена от полиетилен (PE) или поливинилхлорид (PVC), като някои специализирани приложения използват материали с ниско съдържание на дим и нула халогени (LSZH). Кожухът може също така да съдържа арамидни влакна (кевлар), стоманена тел или пластмасови пръти, подсилени с фибростъкло (FRP) като здрави елементи, за да издържат на напрежението на опън, натиск и огъване по време на монтажа.

Заедно тези четири слоя - високо-ядро от силициев диоксид с висока чистота, облицовка с добавен силициев диоксид, акрилатно покритие и полимерна обвивка - съставляват основнотоматериали от оптични влакнанамира се във всеки{0}}комуникационен кабел.

При реални внедрявания десетки до хиляди оптични влакна са свързани заедно в оптичен кабел. Оптичен кабел и оптично влакно са две различни понятия: влакното е преносната среда; кабелът е цялостен продукт, включващ влакна, здрави елементи и защитни обвивки.

Как работят оптичните кабели

Пълно вътрешно отражение

Основният принцип задкак оптичните кабели предават данние пълно вътрешно отражение (TIR). Когато светлината преминава от среда с по-висок индекс на пречупване в среда с по-нисък индекс на пречупване и ъгълът на падане надвишава критичния ъгъл, светлината се отразява 100% обратно към страната с по-висок-индекс, вместо да преминава през интерфейса. Оптичните влакна използват точно този принцип: индексът на пречупване на сърцевината (приблизително 1,467) е по-висок от този на обвивката (приблизително 1,460), така че светлинните сигнали непрекъснато отскачат от интерфейса на обвивката на сърцевината-при плитки ъгли на наклон, разпространявайки се по влакното.

Ключов параметър тук е цифровата апертура (NA). NA описва максималния диапазон на ъгъл, в който влакното може да приеме входяща светлина, определен от разликата в индекса на пречупване между сърцевината и обвивката. По-голямата NA осигурява по-голям толеранс на свързване, което улеснява подравняването към светлинен източник, но също така увеличава дисперсията и влошава качеството на сигнала. Това е един от основните компромиси-в дизайна на влакната.

Цялостната оптична комуникационна връзка

Да разбирашкак работи оптичният кабелв реална{0}}система трябва да разгледаме трите основни етапа накомуникация с оптични влакнавръзка.

Предавател:Електрическите сигнали първо се кодират в цифрова импулсна последователност (0s и 1s), след което светлинен източник ги преобразува в оптични импулси. Има два типа източници на светлина: лазерни диоди (LD) и свето{3}}излъчващи диоди (LED). Лазерните диоди предлагат по-висока изходна мощност, по-тясна спектрална ширина и по-бързи скорости на модулация, което ги прави подходящи за сценарии на дълги-разстояния и висока-скорост. Светодиодите са с по-ниска-цена, но имат по-широка спектрална ширина, подходящи за приложения на-къси разстояния.

Влакно (предавателен сегмент):След като оптичните импулси навлязат във влакното, те се разпространяват по сърцевината. При предаване на-разстояния оптичните усилватели се поставят на равни интервали, за да компенсират затихването на сигнала. Съвременно мултиплексиране с разделяне на плътна дължина на вълната (DWDM) технология с оптични влакнаможе едновременно да пренася от 80 до 160 канала с различна дължина на вълната в едно влакно, всяко от които пренася данни независимо, което позволява капацитет на едно-влакно на ниво терабита-за-секунда.

Приемник:Фотодетектор (обикновено PIN фотодиод или лавинен фотодиод, APD) преобразува получените оптични импулси обратно в електрически сигнали, които след това се възстановяват до оригинални данни чрез вериги за възстановяване на часовника и вземане на решения.

Затихване на сигнала

Предаването на светлина през влакна не е процес без загуби. Затихването на сигнала е основното ограничение воптична комуникацияпроектиране на системата.

Затихването идва от три основни източника. Първият е поглъщането на материала - остатъчните хидроксилни йони (OH⁻) в стъклото създават пикове на поглъщане при специфични дължини на вълната (около 1383 nm), поради което съвременните комуникационни влакна използват предимно прозорците с ниски-загуби 1310 nm и 1550 nm. Второто е Rayleigh разсейване - взаимодействията между светлината и микроскопичните нередности в плътността в стъклото причиняват загуби от разсейване, доминиращият механизъм на загуба при по-къси дължини на вълната. Третото е загуба на огъване - прекалено малките радиуси на огъване на влакното причиняват изтичане на светлинни сигнали от сърцевината.

За справка, настоящото основно G.652D едно-модово влакно има типично затихване от 0,35 dB/km при 1310 nm и 0,20 dB/km при 1550 nm. Това означава, че при 1550 nm мощността на сигнала пада до 1% от първоначалното си ниво след изминаване на 100 км. В резултат на това магистралните-проводи на дълги разстояния изискват оптични усилватели на всеки 80 до 100 км за регенериране на сигнала.

Видове оптични кабели:Единичен-режим срещу много-режим

Оптичните влакна се класифицират в две основни категории въз основа на броя на режимите на предаване. Тезивидове оптични кабелисе различават фундаментално по физически параметри, спецификации на производителност и подходящи приложения.

Едномодово-влакно (SMF)

Едно{0}}модовото влакно има диаметър на сърцевината от 8 до 10 микрометра и позволява разпространението само на един основен мод (LP01). Чрез елиминиране на интермодалната дисперсия, едно-модовото влакно постига честотна лента-разстояние, далеч надхвърлящо това на много-модовото влакно, което го прави стандартен избор за комуникация на средни- и-далечни разстояния.

Типичните работни дължини на вълните са 1310 nm и 1550 nm, като се използват лазерни диоди с разпределена обратна връзка (DFB-LD) като източници на светлина. Разстоянието на предаване може да достигне десетки до стотици километри (може да се разшири до хиляди километри с оптични усилватели). Кодът на цвета на външното яке е жълт.

Основните стандартни обозначения включват ITU-T G.652 (стандартен единичен-режим), G.655 (не-изместена нулева дисперсия) и G.657 (-нечувствителен на огъване, проектиран за внедряване на FTTH).

Мулти{0}}модово влакно (MMF)

Много{0}}режимното влакно има диаметър на сърцевината от 50 или 62,5 микрометра, което позволява стотици до хилядирежими на оптични влакнада се разпространяват едновременно. Различните режими се движат с различни скорости, пристигайки до приемника по различно време - феномен, наречен интермодална дисперсия -, който директно ограничава разстоянието за предаване и честотната лента на много-модовото влакно.

Типичните работни дължини на вълните са 850 nm и 1300 nm, като се използват VCSEL (повърхностно излъчващи лазери с вертикална кухина) или светодиоди като източници на светлина. Разстоянията на предаване обикновено са в рамките на няколкостотин метра. За идентификация на цвета на якето: OM3/OM4 използва аква, OM5 използва лимонено зелено, а OM1/OM2 използва оранжево.

Критерии за избор

Средразлични видове оптични кабели, решаващият фактор е разстоянието на предаване. За разстояния под 300 метра - като вътрешни-центрове за-данни-връзки и-окабеляване на -сгради - много-модовото влакно предлага ценово предимство, тъй като неговите съвместими оптични модули са значително по-евтини от едно-модовите еквиваленти. Отвъд 500 метра - гръбнак на кампус, градски мрежи и-магистрални линии за дълги разстояния - едномодово-оптично влакно е единствената жизнеспособна опция. В рамките на техните съответни диапазони на оптимално разстояние нито един тип не е универсално по-добър; много{16}}режимното решение често осигурява по-ниска обща цена на притежание.

Как се правят оптичните кабели

Оптичните кабели се състоят основно от ултра{0}}чисто силициево стъкло (силициев диоксид), което е изтеглено във влакна, по-тънки от човешки косъм, за предаване на оптични сигнали. Типичният оптичен кабел се състои от няколко ключови компонента: централно ядро, което носи светлинните сигнали, заобикаляща стъклена обвивка, която позволява вътрешно отражение, полимерно защитно покритие, което предпазва влакното от физическо увреждане, и подсилващи здрави елементи, като кевлар или стомана, които подобряват механичната издръжливост на кабела.Производство на оптични влакнасе намира в пресечната точка на прецизното химическо инженерство и оптичните науки. Целият процес е разделен на два етапа: производство на заготовка и изтегляне на влакна.

Производство на заготовки

Предварителната форма е стъклена пръчка с висока -чистота с диаметър приблизително 10 до 20 сантиметра и дължина около 1 метър, с профил на индекса на пречупване на обвивката на сърцевината, който вече е установен вътре. Има четири основни метода на производство: MCVD (модифицирано химическо отлагане на пари), OVD (външно отлагане на пари), VAD (аксиално отлагане на пари) и PCVD (плазмено химическо отлагане на пари).

Като вземем за пример процеса OVD: газовете силициев тетрахлорид (SiCl₄) и германиев тетрахлорид (GeCl₄) с висока-чистота претърпяват окислителни реакции във водород-кислороден пламък. Получените SiO₂ и GeO₂ частици се отлагат върху въртящ се прът-мишена, изграждайки слой по слой, за да образуват поресто стъклено тяло (наречено „заготовка от сажди“), която след това се дехидратира при висока температура, синтерува се и се свива в твърда, прозрачна заготовка.

Една заготовка може да даде стотици километри влакна. Качеството на заготовката определя всички оптични характеристики на влакното -, включително затихване, дисперсия и дължина на вълната на прекъсване - параметри, които са заключени на етапа на заготовка и не могат да бъдат коригирани по време на процеса на изтегляне.

Рисуване на влакна

Предварителната форма се подава в изтегляща кула, вертикална структура с височина приблизително 20 до 30 метра. Долният край на заготовката се нагрява до приблизително 2000 градуса, за да се омекоти стъклото, което след това се изтегля под гравитация и контрол на напрежението във влакно с диаметър 125 микрометра. Скоростта на рисуване може да достигне 1000 до 2500 метра в минута.

По време на процеса на изтегляне влакното преминава през вграден лазерен уред за измерване на диаметъра за-наблюдение в реално време с точност от ±0,1 микрометра, след което незабавно навлиза в етапа на нанасяне на покритие - два слоя акрилат се втвърдяват под UV лампи, като диаметърът на влакното достига 250 микрометра. Целият процес от омекването до нанасянето на покритието се втвърдява за по-малко от една секунда.

След изтегляне, влакното преминава тест за доказване, обикновено подложено на 0,69 GPa (приблизително 1% напрежение) на опън, за да се елиминират участъци, съдържащи микропукнатини, като се гарантира, че механичната надеждност на изпратеното влакно отговаря на изискването за 25-годишен експлоатационен живот.

Предимства на оптичния кабел пред медния

Когато сравнявате влакна с мед,предимствата на оптичното влакностава ясно веднага. Таблицата по-долу подчертава защо влакното се е превърнало в предпочитана среда за съвременните мрежи.

Влакната и медта се допълват, а не се конкурират. Текущата масова мрежова архитектура следва принципа „влакно-до--ръба“ - гръбнакът и слоевете за агрегиране използват влакна, докато слоят за достъп (последните няколко десетки метра до крайните устройства) продължава да използва мед. Този архитектурен модел не се очаква да се промени фундаментално през следващите 5 до 10 години.

Приложения на оптични влакна

Theизползва за оптични влакнаобхващат почти всяка индустрия, от телекомуникациите до медицината. Ето основните области на приложение.

Телеком и интернет опора

Глобалният интернет работи на оптично влакно. Подводните оптични кабели и наземните-магистрални кабели за дълги разстояния свързват континентите. 5G предните и средните мрежи на базовите станции също разчитат на влакна, като всяка базова станция изисква 6 до 12 влакнести ядра. В този мащаб,използване на оптичен кабел в мрежатаформира самия гръбнак на глобалната свързаност.

Центрове за данни

Центровете за данни използват OM3/OM4 много-модови влакна за вътрешни-високоскоростни връзки на къси-разстояния. Между центровете за данни се използва едно-модово влакно с кохерентна оптична комуникационна технология, като скоростите на-дължина на вълната вече достигат 400G и 800G внедрявания.

FTTH (оптично влакно до дома)

FTTH доставя оптично влакно директно до домашните потребители, като използва технологията PON (Пасивна оптична мрежа) за разпространение на оптични сигнали до множество крайни потребители, постигайки широколентов достъп от гигабитов-клас на ниска цена.

Индустриална и сензорна

Сензорите с оптични влакна се използват за наблюдение на температурата и напрежението, широко разпространени в нефтопроводи и газопроводи, захранващи кабели, системи за предупреждение за пожар в тунели и широкомащабно наблюдение на здравето на конструкциите.

Медицински

Приложение на оптични влакнав медицината продължава да се разширява - ендоскопите, хирургическите лазери и системите за изображения разчитат на оптични влакна за осветление, изображения и прецизна хирургическа поддръжка.

Военни и космически

Оптичните влакна заменят медта във военните комуникации, шините за данни и аерокосмическите системи, предлагайки устойчивост на EMI и устойчивост на подслушване. Оптичните жироскопи се използват широко в системите за насочване на самолети и ракети.