Pengetahuan asas serat optik

Penciptaan serat optik telah mendorong revolusi dalam bidang komunikasi. Sekiranya tiada serat optik untuk menyediakan saluran berkelajuan tinggi berkapasiti tinggi, Internet hanya boleh tinggal di peringkat teoritis. Sekiranya abad ke -20 adalah era elektrik, maka abad ke -21 adalah era cahaya. Bagaimanakah cahaya mencapai komunikasi? Mari kita pelajari pengetahuan asas komunikasi optik bersama -sama dengan editor di bawah.

Bahagian 1. Pengetahuan asas penyebaran cahaya

Memahami gelombang cahaya
Gelombang cahaya sebenarnya gelombang elektromagnet, dan di ruang bebas, panjang gelombang dan kekerapan gelombang elektromagnet berkadar songsang. Produk kedua adalah sama dengan kelajuan cahaya, iaitu:

Susun panjang gelombang atau frekuensi gelombang elektromagnet untuk membentuk spektrum elektromagnet. Menurut panjang gelombang atau frekuensi yang berlainan, gelombang elektromagnet boleh dibahagikan kepada rantau radiasi, rantau ultraviolet, rantau cahaya yang dapat dilihat, rantau inframerah, rantau gelombang mikro, rantau gelombang radio, dan kawasan gelombang panjang. Band -band yang digunakan untuk komunikasi adalah terutamanya rantau inframerah, rantau gelombang mikro, dan rantau gelombang radio. Imej berikut akan membantu anda memahami pembahagian band komunikasi dan media penyebaran yang sepadan dalam beberapa minit.

Protagonis artikel ini, "Komunikasi Fiber Optik," menggunakan gelombang cahaya dalam band inframerah. Ketika datang ke tahap ini, orang mungkin tertanya -tanya mengapa ia mesti berada di band inframerah? Isu ini berkaitan dengan kehilangan penghantaran optik bahan serat optik, iaitu kaca silika. Seterusnya, kita perlu memahami bagaimana serat optik menghantar cahaya.

Pembiasan, refleksi, dan keseluruhan refleksi cahaya

Apabila cahaya dipancarkan dari satu bahan ke yang lain, pembiasan dan refleksi berlaku di antara muka antara kedua -dua bahan, dan sudut pembiasan meningkat dengan sudut cahaya insiden. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah ① → ②. Apabila sudut kejadian mencapai atau melebihi sudut tertentu, cahaya yang dibiaskan hilang dan semua cahaya insiden dicerminkan kembali, iaitu jumlah refleksi cahaya, seperti yang ditunjukkan dalam ② → ③ dalam angka berikut.

Bahan yang berbeza mempunyai indeks refraktif yang berbeza, jadi kelajuan penyebaran cahaya berbeza -beza dalam media yang berbeza. Indeks biasan diwakili oleh n, n = c/v, di mana c adalah halaju dalam vakum dan v ialah halaju penyebaran dalam medium. Medium dengan indeks biasan yang lebih tinggi dipanggil medium optik padat, manakala medium dengan indeks biasan yang lebih rendah dipanggil medium optik jarang. Kedua -dua syarat untuk refleksi total berlaku adalah:
1. Transmisi dari medium optik padat hingga medium optik jarang
2. Sudut kejadian lebih besar daripada atau sama dengan sudut kritikal jumlah refleksi
Untuk mengelakkan kebocoran isyarat optik dan mengurangkan kehilangan penghantaran, penghantaran optik dalam gentian optik berlaku di bawah keadaan refleksi.

Bahagian 2. Pengenalan kepada Media Penyebaran Optik (Fiber Optic)

Struktur optik gentian

Dengan pengetahuan asas mengenai penyebaran cahaya refleksi, mudah untuk memahami struktur reka bentuk serat optik. Serat telanjang serat optik dibahagikan kepada tiga lapisan: lapisan pertama adalah teras, yang terletak di tengah serat dan terdiri daripada silikon dioksida yang tinggi, juga dikenali sebagai kaca. Diameter teras umumnya 9-10 mikron (satu mod), 50 atau 62.5 mikron (multi-mod). Inti serat mempunyai indeks biasan tinggi dan digunakan untuk menghantar cahaya. Pelapisan lapisan kedua: Terletak di sekitar teras serat, juga terdiri daripada kaca silika (dengan diameter umumnya 125 mikron). Indeks biasan pelapisan adalah rendah, membentuk keadaan refleksi total bersama -sama dengan teras serat. Lapisan salutan ketiga: Lapisan paling luar adalah salutan resin bertetulang. Bahan lapisan pelindung mempunyai kekuatan yang tinggi dan dapat menahan impak yang besar, melindungi serat optik dari hakisan wap air dan lelasan mekanikal.

Kehilangan penghantaran optik

Kehilangan penghantaran optik serat adalah faktor yang sangat penting yang mempengaruhi kualiti komunikasi gentian optik. Faktor utama yang menyebabkan pelemahan isyarat optik termasuk kehilangan penyerapan bahan, penyebaran kerugian semasa penghantaran, dan kerugian lain yang disebabkan oleh faktor -faktor seperti lenturan serat, mampatan, dan kehilangan dok.

Panjang gelombang cahaya adalah berbeza, dan kehilangan penghantaran dalam gentian optik juga berbeza. Untuk meminimumkan kerugian dan memastikan kesan penghantaran, saintis telah komited untuk mencari cahaya yang paling sesuai. Cahaya dalam julat panjang gelombang 1260nm ~ 1360nm mempunyai herotan isyarat terkecil yang disebabkan oleh penyebaran dan kehilangan penyerapan terendah. Pada masa -masa awal, julat panjang gelombang ini diterima pakai sebagai band komunikasi optik. Kemudian, selepas tempoh penjelajahan dan amalan yang panjang, pakar secara beransur -ansur meringkaskan julat panjang gelombang kerugian yang rendah (1260nm ~ 1625nm), yang paling sesuai untuk penghantaran dalam serat optik. Jadi gelombang cahaya yang digunakan dalam komunikasi gentian optik umumnya dalam jalur inframerah.

Klasifikasi gentian optik

Serat Optik Multimode: Menghantar pelbagai mod, tetapi penyebaran modal yang besar mengehadkan kekerapan menghantar isyarat digital, dan batasan ini menjadi lebih teruk dengan peningkatan jarak penghantaran. Oleh itu, jarak penghantaran gentian optik multimode agak pendek, biasanya hanya beberapa kilometer.
Serat mod tunggal: Dengan diameter serat yang sangat kecil, secara teorinya hanya satu mod yang boleh dihantar, menjadikannya sesuai untuk komunikasi jauh.

Bahagian 3. Prinsip kerja sistem komunikasi gentian optik

Sistem komunikasi serat optik

Produk komunikasi yang biasa digunakan, seperti telefon bimbit dan komputer, menghantar maklumat dalam bentuk isyarat elektrik. Apabila menjalankan komunikasi optik, langkah pertama adalah untuk menukar isyarat elektrik ke dalam isyarat optik, menghantarnya melalui kabel gentian optik, dan kemudian menukar isyarat optik ke dalam isyarat elektrik untuk mencapai tujuan penghantaran maklumat. Sistem komunikasi optik asas terdiri daripada pemancar optik, penerima optik, dan litar serat optik untuk menghantar cahaya. Untuk memastikan kualiti penghantaran isyarat jarak jauh dan meningkatkan jalur lebar penghantaran, pengulang optik dan multiplexer biasanya digunakan.

Berikut adalah pengenalan ringkas kepada prinsip kerja setiap komponen dalam sistem komunikasi gentian optik.

Pemancar optik:Menukar isyarat elektrik ke dalam isyarat optik, terutamanya terdiri daripada modulator isyarat dan sumber cahaya.

Multiplexer Isyarat:Pasangan berbilang isyarat pembawa optik panjang gelombang yang berbeza ke dalam serat optik yang sama untuk penghantaran, mencapai kesan kapasiti penghantaran dua kali ganda.

Pengulang optik:Semasa penghantaran, bentuk gelombang dan intensiti isyarat akan merosot, jadi perlu untuk memulihkan bentuk gelombang ke bentuk gelombang isyarat asal dan meningkatkan intensiti cahaya.

Isyarat demultiplexer:Mengurangkan isyarat multiplexed ke dalam isyarat individu asalnya.

Penerima Optik:Menukar isyarat optik yang diterima ke dalam isyarat elektrik, terutamanya terdiri daripada photodetector dan demodulator.

Bahagian 4. Kelebihan dan aplikasi komunikasi optik

Kelebihan komunikasi optik:

1. Jarak geganti panjang, menjimatkan ekonomi dan menjimatkan tenaga
Dengan mengandaikan penghantaran 10 Gbps (10 bilion 0 atau 1 isyarat sesaat) maklumat, jika komunikasi elektrik digunakan, isyarat perlu disampaikan dan diselaraskan setiap beberapa ratus meter. Berbanding dengan ini, menggunakan komunikasi optik dapat mencapai jarak relay lebih dari 100 kilometer. Kali yang lebih sedikit isyarat diselaraskan, semakin rendah kos. Sebaliknya, bahan serat optik adalah silikon dioksida, yang mempunyai rizab yang banyak dan kos yang lebih rendah daripada dawai tembaga. Oleh itu, komunikasi optik mempunyai kesan ekonomi dan penjimatan tenaga.

2. Penghantaran maklumat pantas dan kualiti komunikasi yang tinggi

Sebagai contoh, sekarang apabila bercakap dengan rakan -rakan di luar negara atau berbual dalam talian, bunyi itu tidak seperti yang tertinggal seperti dahulu. Dalam era telekomunikasi, komunikasi antarabangsa terutamanya bergantung kepada satelit buatan sebagai relay untuk penghantaran, menghasilkan laluan penghantaran yang lebih lama dan ketibaan isyarat yang lebih perlahan. Dan komunikasi optik, dengan bantuan kabel kapal selam, memendekkan jarak penghantaran, membuat penghantaran maklumat lebih cepat. Oleh itu, dengan menggunakan komunikasi optik dapat mencapai komunikasi yang lebih lancar dengan luar negara.

3. Keupayaan anti-interference yang kuat dan kerahsiaan yang baik

Komunikasi elektrik mungkin mengalami kesilapan disebabkan oleh gangguan elektromagnetik, yang membawa kepada penurunan kualiti komunikasi. Walau bagaimanapun, komunikasi optik tidak terjejas oleh bunyi elektrik, menjadikannya lebih selamat dan lebih dipercayai. Dan disebabkan oleh prinsip keseluruhan refleksi, isyarat itu sepenuhnya terhad kepada serat optik untuk penghantaran, jadi kerahsiaan adalah baik.

4. Kapasiti penghantaran besar
Umumnya, komunikasi elektrik hanya boleh menghantar maklumat 10gbps (10 bilion 0 atau 1 sesaat), manakala komunikasi optik boleh menghantar maklumat 1Tbps (1 trilion 0 atau 1).

Permohonan komunikasi optik

Terdapat banyak kelebihan untuk komunikasi optik, dan ia telah diintegrasikan ke setiap sudut kehidupan kita sejak pembangunannya. Peranti seperti telefon bimbit, komputer, dan telefon IP yang menggunakan Internet menghubungkan semua orang ke rantau mereka, seluruh negara, dan juga ke rangkaian komunikasi global. Sebagai contoh, isyarat yang dipancarkan oleh komputer dan telefon bimbit berkumpul di stesen asas pengendali komunikasi tempatan dan peralatan penyedia rangkaian, dan kemudian dihantar ke pelbagai bahagian dunia melalui kabel gentian optik dalam kabel kapal selam.

Kesedaran aktiviti harian seperti panggilan video, membeli -belah dalam talian, permainan video, dan pesta menonton semua bergantung pada sokongan dan bantuannya di belakang tabir. Kemunculan rangkaian optik telah menjadikan kehidupan kita lebih selesa dan mudah.