Coneixements bàsics de la fibra òptica

La invenció de la fibra òptica ha impulsat la revolució en el camp de la comunicació. Si no hi ha fibra òptica per proporcionar canals d’alta velocitat d’alta capacitat, Internet només pot romandre en l’escenari teòric. Si el segle XX va ser l’època de l’electricitat, el segle XXI és l’època de la llum. Com aconsegueix la llum la comunicació? Aprenem els coneixements bàsics de la comunicació òptica juntament amb l’editor següent.

Primera part. Coneixement bàsic de la propagació de la llum

Comprensió de les ones lleugeres
Les ones de llum són en realitat ones electromagnètiques i, en l’espai lliure, la longitud d’ona i la freqüència de les ones electromagnètiques són inversament proporcionals. El producte dels dos és igual a la velocitat de la llum, és a dir:

Disposar les longituds d’ona o freqüències d’ones electromagnètiques per tal de formar un espectre electromagnètic. Segons les diferents longituds d’ona o freqüències, les ones electromagnètiques es poden dividir en regió de radiació, regió ultraviolada, regió de llum visible, regió d’infrarojos, regió de microones, regió d’ones de ràdio i regió d’ona llarga. Les bandes utilitzades per a la comunicació són principalment la regió d’infrarojos, la regió de microones i la regió d’ones de ràdio. La imatge següent us ajudarà a comprendre la divisió de les bandes de comunicació i els mitjans de propagació corresponents en pocs minuts.

El protagonista d’aquest article, “Comunicació de fibra òptica”, utilitza ones de llum a la banda d’infrarojos. Quan es tracta d’aquest punt, la gent pot preguntar -se per què ha d’estar a la banda d’infrarojos? Aquest problema està relacionat amb la pèrdua de transmissió òptica de materials de fibra òptica, és a dir, el vidre de sílice. A continuació, hem d’entendre com les fibres òptiques transmeten llum.

Refracció, reflexió i reflex total de la llum

Quan la llum s’emet d’una substància a una altra, la refracció i la reflexió es produeixen a la interfície entre les dues substàncies, i l’angle de refracció augmenta amb l’angle de la llum incident. Com es mostra a la figura ① → ②. Quan l’angle incident arriba o supera un cert angle, la llum refractada desapareix i tota la llum incident es reflecteix enrere, que és el reflex total de la llum, com es mostra a ② → ③ a la figura següent.

Diferents materials tenen índexs de refracció diferents, de manera que la velocitat de propagació de la llum varia en diferents medis. L’índex de refracció està representat per N, N = C/V, on C és la velocitat al buit i V és la velocitat de propagació del medi. Un medi amb un índex de refracció superior s’anomena medi òpticament dens, mentre que un medi amb un índex de refracció inferior s’anomena medi òpticament escàs. Les dues condicions perquè es produeixi una reflexió total són:
1. Transmissió de medi òpticament dens a un medi òpticament escàs
2. L’angle incident és superior o igual a l’angle crític de la reflexió total
Per tal d’evitar fuites de senyal òptiques i reduir la pèrdua de transmissió, la transmissió òptica en fibres òptiques es produeix en condicions de reflexió total.

Part 2. Introducció als suports de propagació òptica (fibra òptica)

Estructura de fibra òptica

Amb els coneixements bàsics de la propagació de la llum de reflexió total, és fàcil comprendre l'estructura de disseny de les fibres òptiques. La fibra nua de la fibra òptica es divideix en tres capes: la primera capa és el nucli, situat al centre de la fibra i està composta per diòxid de silici d’alta puresa, també conegut com a vidre. El diàmetre del nucli és generalment de 9-10 micres (mode únic), 50 o 62,5 micres (multimode). El nucli de fibra té un índex de refracció elevat i s’utilitza per transmetre llum. Revestiment de segona capa: situat al voltant del nucli de fibra, compost també de vidre de sílice (amb un diàmetre de generalment 125 micres). L’índex de refracció del revestiment és baix, formant una condició de reflexió total juntament amb el nucli de fibra. La tercera capa de recobriment: la capa més externa és un recobriment de resina reforçada. El material de la capa protectora té una gran resistència i pot suportar grans impactes, protegint la fibra òptica de l’erosió del vapor d’aigua i l’abrasió mecànica.

Pèrdua de transmissió òptica

La pèrdua de transmissió de fibra òptica és un factor molt important que afecta la qualitat de la comunicació de fibra òptica. Els principals factors que provoquen atenuació de senyals òptics inclouen la pèrdua d’absorció de materials, la pèrdua de dispersió durant la transmissió i altres pèrdues causades per factors com la flexió de fibra, la compressió i la pèrdua d’atracament.

La longitud d’ona de la llum és diferent i la pèrdua de transmissió en fibres òptiques també és diferent. Per tal de minimitzar la pèrdua i assegurar l'efecte de transmissió, els científics s'han compromès a trobar la llum més adequada. La llum de l’interval de longitud d’ona de 1260nm ~ 1360nm té la distorsió del senyal més petita causada per la dispersió i la pèrdua d’absorció més baixa. En els primers dies, aquest rang de longitud d’ona es va adoptar com a banda de comunicació òptica. Més tard, després d’un llarg període d’exploració i pràctica, els experts van resumir gradualment un rang de longitud d’ona de baixa pèrdua (1260nm ~ 1625nm), que és més adequat per a la transmissió en fibres òptiques. De manera que les ones de llum utilitzades en la comunicació de fibra òptica es troben generalment a la banda d’infrarojos.

Classificació de fibra òptica

Fibra òptica multimode: transmet múltiples modes, però la gran dispersió inter modal limita la freqüència de transmissió de senyals digitals, i aquesta limitació es fa més severa amb la distància de transmissió creixent. Per tant, la distància de transmissió de fibra òptica multimode és relativament curta, normalment només uns quilòmetres.
Fibra de mode únic: amb un diàmetre de fibra molt reduït, teòricament només es pot transmetre un mode, fent -lo adequat per a la comunicació remota.

Part 3. Principi de funcionament del sistema de comunicació de fibra òptica

Sistema de comunicació de fibra òptica

Els productes de comunicació utilitzats habitualment, com ara telèfons mòbils i ordinadors, transmeten informació en forma de senyals elèctrics. Quan realitzeu una comunicació òptica, el primer pas és convertir els senyals elèctrics en senyals òptics, transmetre -los a través de cables de fibra òptica i, a continuació, convertir els senyals òptics en senyals elèctrics per aconseguir el propòsit de la transmissió d’informació. El sistema bàsic de comunicació òptica consisteix en un transmissor òptic, un receptor òptic i un circuit de fibra òptica per transmetre llum. Per tal d’assegurar la qualitat de la transmissió del senyal de llarga distància i millorar l’amplada de banda de transmissió, s’utilitzen generalment repetidors òptics i multiplexors.

A continuació, es mostra una breu introducció al principi de treball de cada component del sistema de comunicació de fibra òptica.

Transmissor òptic:Converteix els senyals elèctrics en senyals òptics, compostos principalment per moduladors de senyal i fonts de llum.

Senyal multiplexor:Parelles Múltiples senyals portadors òptics de diferents longituds d'ona a la mateixa fibra òptica per a la seva transmissió, aconseguint l'efecte de la doble capacitat de transmissió.

Repetidor òptic:Durant la transmissió, la forma d’ona i la intensitat del senyal es deterioraran, de manera que cal restaurar la forma d’ona a la forma d’ona del senyal original i augmentar la intensitat de la llum.

Senyal Demultiplexer:Descomposar el senyal multiplexat als seus senyals individuals originals.

Receptor òptic:Converteix el senyal òptic rebut en un senyal elèctric, compost principalment per un fotodetector i un demodulador.

Part 4. Avantatges i aplicacions de la comunicació òptica

Avantatges de la comunicació òptica:

1. Llarga distància de relé, econòmica i d’estalvi d’energia
Si s’assumeix la transmissió de 10 Gbps (10 mil milions de 0 o 1 senyals per segon) de la informació, si s’utilitza la comunicació elèctrica, s’ha de retransmetre i ajustar el senyal cada pocs centenars de metres. En comparació amb això, l'ús de la comunicació òptica pot aconseguir una distància de relé de més de 100 quilòmetres. Com menys vegades s’ajusta el senyal, més baix és el cost. D'altra banda, el material de la fibra òptica és el diòxid de silici, que té abundants reserves i un cost molt inferior al fil de coure. Per tant, la comunicació òptica té un efecte econòmic i d’estalvi d’energia.

2. Transmissió d’informació ràpida i alta qualitat de la comunicació

Per exemple, ara quan parlem amb amics a l'estranger o xatejadores en línia, el so no és tan retard com abans. En l'era de la telecomunicacions, la comunicació internacional es basa principalment en satèl·lits artificials com a relés per a la seva transmissió, donant lloc a camins de transmissió més llargs i arribada al senyal més lenta. I la comunicació òptica, amb l’ajuda de cables submarins, redueix la distància de transmissió, fent que la transmissió d’informació sigui més ràpida. Per tant, l'ús de la comunicació òptica pot aconseguir una comunicació més suau amb l'estranger.

3. Forta capacitat anti-interferència i bona confidencialitat

La comunicació elèctrica pot experimentar errors a causa d’una interferència electromagnètica, donant lloc a una disminució de la qualitat de la comunicació. Tanmateix, la comunicació òptica no es veu afectada pel soroll elèctric, cosa que la fa més segura i fiable. I a causa del principi de reflexió total, el senyal es limita completament a la fibra òptica per a la transmissió, de manera que la confidencialitat és bona.

4. Gran capacitat de transmissió
Generalment, la comunicació elèctrica només pot transmetre 10 Gbps (10 mil milions de 0 o 1 senyals per segon), mentre que la comunicació òptica pot transmetre 1Tbps (1 bilió de 0 o 1 senyals) d’informació.

Aplicació de la comunicació òptica

Hi ha molts avantatges per a la comunicació òptica i s’ha integrat a tots els racons de la nostra vida des del seu desenvolupament. Dispositius com telèfons mòbils, ordinadors i telèfons IP que utilitzen Internet connecten tothom a la seva regió, a tot el país i fins i tot a la xarxa de comunicació global. Per exemple, els senyals emesos per ordinadors i telèfons mòbils es reuneixen a les estacions base d’operadors de comunicació locals i equips de proveïdors de xarxa i es transmeten a diverses parts del món a través de cables de fibra òptica en cables submarins.

La constatació d’activitats diàries com ara trucades de vídeo, compres en línia, videojocs i veient que es basen en el seu suport i assistència entre bastidors. L’aparició de xarxes òptiques ha fet que la nostra vida sigui més còmoda i còmoda.