vedomosti

Káble z optických vlákien prenášajú informácie posielaním svetelných signálov po ultra-tenkých vláknach sklenených alebo plastových vlákien, čím poskytujú výrazne vyššiu rýchlosť, kapacitu a dosah prenosu v porovnaní s tradičnými medenými vedeniami. Tieto káble sa skladajú z troch kľúčových vrstiev - vnútorného jadra, okolitého plášťa a vonkajšieho ochranného náteru - a slúžia ako chrbtica moderných širokopásmových sietí, telekomunikačnej infraštruktúry a priemyselných komunikačných systémov. Porozumenieako fungujú optické vláknamôže výrazne pomôcť vyriešiť niektoré náročné problémy.

Čo je optické vlákno

je komunikačný vodič, ktorý využíva svetlo ako nosič informácií a sklo alebo plast ako prenosové médium. Základný proces funguje nasledovne: elektrické signály sa premieňajú na svetelné impulzy, prenášajú sa vysokou rýchlosťou cez extrémne tenké sklenené vlákna a potom sa na prijímacom konci konvertujú späť na elektrické signály. Štandardné komunikačné vlákno má priemer približne 125 mikrometrov -, čo je približne rovnaký priemer ako ľudský vlas. Napriek tomuto neuveriteľne tenkému-prierezu sa interiér vyznačuje precíznou viacvrstvovou sústrednou štruktúrou-, pričom každá vrstva plní nezávislú funkciu.

Je dôležité rozlišovať medzi optickým vláknom a optickým káblom. Akábel z optických vlákienje kompletná káblová zostava, v ktorej je umiestnené jedno alebo viac optických vlákien spolu s pevnými prvkami a ochrannými plášťami, navrhnutými na prenos údajov ako svetelné impulzy na veľké vzdialenosti.

Štvor{0}}vrstvová fyzická štruktúra kábla z optických vlákien

Aby sme pochopiliz čoho je vyrobený optický kábel, pozrime sa bližšie na jeho štyri precízne{0}}skonštruované vrstvy zvnútra.

Jadro

Jadro sa nachádza v samom strede a má priemer v rozmedzí od 8 do 62,5 mikrometrov a slúži ako skutočný kanál, ktorým prechádzajú svetelné signály. Jadro je vyrobené z -oxidu kremičitého (SiO₂) dopovaného stopovým množstvom germánia (Ge) na zvýšenie jeho indexu lomu. Čistota jadra priamo určuje vzdialenosť prenosu signálu a úrovne strát - komunikačné- vlákno vyžaduje čistotu skla 99,99 % alebo vyššiu.

Obloženie

Theopláštenie kábla z optických vlákienobklopuje jadro s jednotným priemerom 125 mikrometrov. Je tiež vyrobený z oxidu kremičitého, ale s iným dopingovým vzorcom, ktorý mu dáva o niečo nižší index lomu ako jadro. Tento rozdiel v indexe lomu je fyzikálnym predpokladom, ktorý umožňuje prenos svetelného signálu - bez neho by svetlo jednoducho uniklo z vlákna.

Náter (tlmivý roztok)

Jedna alebo dve vrstvy UV-vytvrdzovaného akrylátunátersa aplikujú na plášť, čím sa celkový priemer vlákna zvýši na 250 mikrometrov. Povlak chráni holé sklo pred mikroohybom, poškriabaním a vniknutím vlhkosti. Degradácia povlaku je jednou z hlavných príčin poklesu výkonu vlákien po-dlhodobom používaní.

Bunda

Vonkajšia ochranná konštrukcia je zvyčajne vyrobená z polyetylénu (PE) alebo polyvinylchloridu (PVC), pričom niektoré špecializované aplikácie používajú materiály s nízkym obsahom dymu a nulovým halogénom (LSZH). Plášť môže tiež obsahovať aramidové vlákna (Kevlar), oceľový drôt alebo plastové tyče vystužené sklenenými vláknami (FRP) ako pevnostné prvky, ktoré odolávajú ťahovému, tlakovému a ohybovému namáhaniu počas inštalácie.

Spoločne tieto štyri vrstvy - vysoko-silikónové jadro, dopovaný oxid kremičitý plášť, akrylátový náter a polymérový plášť - tvoria základmateriály z optických vlákiennájdete v každom kábli{0}}komunikačnej kvality.

V skutočnom nasadení sú desiatky až tisíce optických vlákien zviazané do optického kábla. Optický kábel a optické vlákno sú dva rôzne pojmy: vlákno je prenosové médium; kábel je kompletný produkt obsahujúci vlákna, výstužné prvky a ochranné plášte.

Ako fungujú káble z optických vlákien

Totálna vnútorná reflexia

Základný princípako optické káble prenášajú dátaje totálny vnútorný odraz (TIR). Keď svetlo prechádza z média s vyšším indexom lomu do média s nižším indexom lomu a uhol dopadu presahuje kritický uhol, svetlo sa odrazí o 100 % späť na stranu s vyšším-indexom, než aby prešlo rozhraním. Vláknová optika využíva presne tento princíp: index lomu jadra (približne 1,467) je vyšší ako index lomu plášťa (približne 1,460), takže svetelné signály sa neustále odrážajú od rozhrania plášťa jadra pod plytkými uhlami a šíria sa pozdĺž vlákna.

Kľúčovým parametrom je tu numerická apertúra (NA). NA opisuje maximálny rozsah uhla, v ktorom môže vlákno prijať prichádzajúce svetlo, určený rozdielom indexu lomu medzi jadrom a plášťom. Väčšia NA poskytuje väčšiu toleranciu spojenia, čo uľahčuje zarovnanie so svetelným zdrojom, ale tiež zvyšuje rozptyl a zhoršuje kvalitu signálu. Toto je jeden z kľúčových kompromisov-v dizajne vlákien.

Kompletné optické komunikačné prepojenie

Aby sme pochopiliako funguje optický kábelv reálnom{0}}svetovom systéme sa musíme pozrieť na tri základné fázykomunikácia cez optické vláknoodkaz.

Vysielač:Elektrické signály sú najskôr zakódované do digitálnej sekvencie impulzov (0 s a 1 s), potom ich svetelný zdroj prevedie na optické impulzy. Existujú dva typy svetelných zdrojov: laserové diódy (LD) a svetelné -diódy (LED). Laserové diódy ponúkajú vyšší výstupný výkon, užšiu spektrálnu šírku a vyššiu mieru modulácie, vďaka čomu sú vhodné pre scenáre na veľké -vzdialenosti a vysoké-rýchlosti. LED diódy sú lacnejšie-, ale majú širšiu spektrálnu šírku a sú vhodné pre aplikácie na krátke-vzdialenosti.

Vlákno (prevodový segment):Akonáhle optické impulzy vstúpia do vlákna, šíria sa pozdĺž jadra. Pri prenose na veľkú vzdialenosť- sa optické zosilňovače umiestňujú v pravidelných intervaloch na kompenzáciu útlmu signálu. Moderné multiplexovanie s delením hustej vlnovej dĺžky (DWDM) technológia optických vlákiendokáže súčasne prenášať 80 až 160 kanálov s rôznymi vlnovými dĺžkami v jednom vlákne, pričom každý nezávisle prenáša údaje, čo umožňuje kapacitu jedného vlákna na úrovni terabitov-za-sekundu.

Prijímač:Fotodetektor (zvyčajne PIN fotodióda alebo lavínová fotodióda, APD) konvertuje prijaté optické impulzy späť na elektrické signály, ktoré sa potom obnovia na pôvodné dáta prostredníctvom obnovy hodín a rozhodovacích obvodov.

Útlm signálu

Prenos svetla cez vlákno nie je bezstratový proces. Útlm signálu je hlavným obmedzenímkomunikácia z optických vlákiennávrh systému.

Útlm pochádza z troch hlavných zdrojov. Prvým je absorpcia materiálu - zvyškové hydroxylové ióny (OH⁻) v skle vytvárajú absorpčné vrcholy pri špecifických vlnových dĺžkach (okolo 1383 nm), a preto moderné komunikačné vlákna primárne využívajú nízkostratové okná 1310 nm a 1550 nm. Druhým sú interakcie Rayleighovho rozptylu - medzi svetlom a mikroskopickými nepravidelnosťami hustoty v skle spôsobujú straty rozptylom, čo je dominantný mechanizmus strát pri kratších vlnových dĺžkach. Tretím je strata ohybu - nadmerne malé polomery ohybu vlákna spôsobujú únik svetelných signálov z jadra.

Pre porovnanie, súčasné jednorežimové vlákno G.652D G.652D má typický útlm 0,35 dB/km pri 1310 nm a 0,20 dB/km pri 1550 nm. To znamená, že pri 1550 nm výkon signálu po prejdení 100 km klesne na 1 % pôvodnej úrovne. Výsledkom je, že diaľkové-linky vyžadujú na regeneráciu signálu optické zosilňovače každých 80 až 100 km.

Typy káblov z optických vlákien:Jednoduchý-režim vs. viacnásobný-režim

Optické vlákna sú rozdelené do dvoch hlavných kategórií na základe počtu prenosových režimov. Tietotypy káblov z optických vlákiensa zásadne líšia vo fyzikálnych parametroch, výkonnostných špecifikáciách a vhodných aplikáciách.

Jedno{0}}režimové vlákno (SMF)

Jedno{0}}vidové vlákno má priemer jadra 8 až 10 mikrometrov a umožňuje šírenie iba jedného základného módu (LP01). Odstránením intermodálneho rozptylu dosahuje jedno-vlákno s jedným režimom-výrobok so šírkou pásma, ktorý ďaleko prevyšuje produkty s viacerými-vláknami, čím sa stáva štandardnou voľbou pre komunikáciu na stredné- a dlhé-vzdialenosti.

Typické prevádzkové vlnové dĺžky sú 1310 nm a 1550 nm, pričom ako zdroje svetla sa používajú laserové diódy s distribuovanou spätnou väzbou (DFB-LD). Prenosová vzdialenosť môže dosahovať desiatky až stovky kilometrov (rozšíriteľná na tisíce kilometrov s optickými zosilňovačmi). Farebný kód vonkajšej bundy je žltý.

Medzi hlavné štandardné označenia patrí ITU-T G.652 (štandardný jednoduchý-režim), G.655 (bez-posunutý nulovým rozptylom) a G.657 (necitlivý na ohyb-, navrhnutý pre nasadenie FTTH).

Multi{0}}režimové vlákno (MMF)

Viac{0}}režimové vlákno má priemer jadra 50 alebo 62,5 mikrometrov, čo umožňuje stovky až tisícerežimy optického vláknašíriť súčasne. Rôzne režimy sa pohybujú rôznymi rýchlosťami a dostávajú sa k prijímaču v rôznom čase - fenomén nazývaný intermodálna disperzia -, ktorý priamo obmedzuje prenosovú vzdialenosť a šírku pásma s viacerými-vláknami.

Typické prevádzkové vlnové dĺžky sú 850 nm a 1300 nm, pričom sa ako svetelné zdroje používajú lasery VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) alebo LED diódy. Prenosové vzdialenosti sú zvyčajne v rozmedzí niekoľkých stoviek metrov. Na identifikáciu farby plášťa: OM3/OM4 používa akvakultúru, OM5 používa limetkovo zelenú a OM1/OM2 používa oranžovú.

Výberové kritériá

Medzirôzne typy optických káblov, rozhodujúcim faktorom je prenosová vzdialenosť. Pre vzdialenosti menšie ako 300 metrov -, ako sú prepojenia v rámci-dátových{4}}centier a{5}}kabeláž v budovách, ponúka - multi{7}}vlákno s viacerými režimami cenovú výhodu, pretože jeho kompatibilné optické moduly sú výrazne lacnejšie ako ekvivalenty s jedným-režimom. Viac ako 500 metrov - chrbticových sietí kampusov, metropolitných sietí a{12}}diaľkových hlavných liniek - -jednorežimové vlákno je jedinou životaschopnou možnosťou. V rámci ich príslušných optimálnych rozsahov vzdialeností nie je žiadny typ univerzálne lepší; multi{16}}režimové riešenie často prináša nižšie celkové náklady na vlastníctvo.

Ako sa vyrábajú káble z optických vlákien

Káble z optických vlákien sa skladajú predovšetkým z ultra{0}}čistého kremičitého skla (oxid kremičitý), ktorý je na prenos optických signálov vtiahnutý do vlákien tenších ako ľudský vlas. Typický kábel z optických vlákien pozostáva z niekoľkých kľúčových komponentov: centrálneho jadra, ktoré prenáša svetelné signály, okolitého skleneného plášťa, ktorý umožňuje vnútorný odraz, polymérového ochranného povlaku, ktorý chráni vlákno pred fyzickým poškodením, a výstužných prvkov, ako je kevlar alebo oceľ, ktoré zvyšujú mechanickú odolnosť kábla..Výroba optických vlákienje na priesečníku presného chemického inžinierstva a optickej vedy. Celý proces je rozdelený do dvoch etáp: výroba predlisku a ťahanie vlákien.

Výroba predliskov

Predlisok je sklenená tyčinka vysokej -čistoty s priemerom približne 10 až 20 centimetrov a dĺžkou približne 1 meter, s profilom indexu lomu jadra-vytvoreným vnútorne. Existujú štyri hlavné výrobné metódy: MCVD (Modified Chemical Vapour Deposition), OVD (Outside Vapour Deposition), VAD (Vapor Axial Deposition) a PCVD (Plasma Chemical Vapour Deposition).

Vezmime si ako príklad proces OVD: plyny chloridu kremičitého (SiCl4) a germánia (GeCl4) s vysokou -čistotou podliehajú oxidačným reakciám v plameni vodíka-kyslíka. Výsledné častice SiO₂ a GeO₂ sa ukladajú na rotujúcu cieľovú tyč a vytvárajú vrstvu po vrstve a vytvárajú porézne sklenené teleso (nazývané "sadzový predlisok"), ktoré sa potom dehydratuje pri vysokej teplote, speká a zrúti do pevného, ​​priehľadného predlisku.

Jediný predlisok môže poskytnúť stovky kilometrov vlákna. Kvalita predlisku určuje všetky charakteristiky optického výkonu vlákna - vrátane parametrov útlmu, rozptylu a medznej vlnovej dĺžky -, ktoré sú zablokované vo fáze predlisku a nemožno ich opraviť počas procesu kreslenia.

Kreslenie vlákien

Predlisok sa podáva do ťažnej veže, vertikálnej konštrukcie vysokej približne 20 až 30 metrov. Spodný koniec predlisku sa zahreje na približne 2000 stupňov, aby sklo zmäklo, ktoré sa potom pomocou gravitácie a riadenia ťahu ťahá do vlákna s priemerom 125 mikrometrov. Rýchlosť kreslenia môže dosiahnuť 1 000 až 2 500 metrov za minútu.

Počas procesu ťahania vlákno prechádza cez inline laserové meradlo priemeru na monitorovanie v reálnom čase-s presnosťou ±0,1 mikrometra, potom okamžite vstúpi do fázy nanášania - dve vrstvy akrylátu sa vytvrdzujú pod UV lampou, čím sa priemer vlákna zvýši na 250 mikrometrov. Celý proces od zmäkčenia po náter vytvrdne za menej ako jednu sekundu.

Po ťahaní sa vlákno podrobuje skúšobnej skúške, ktorá sa zvyčajne podrobuje ťahu 0,69 GPa (približne 1 % deformácie), aby sa odstránili časti obsahujúce mikrotrhlinky, čím sa zabezpečí, že mechanická spoľahlivosť dodávaného vlákna spĺňa požiadavku 25-ročnej životnosti.

Výhody kábla z optických vlákien oproti medi

Pri porovnaní vlákna s meďou,výhody optického vláknasa okamžite vyjasní. Nižšie uvedená tabuľka zdôrazňuje, prečo sa vlákno stalo preferovaným médiom pre moderné siete.

Vlákna a meď sa dopĺňajú, nie sú konkurencieschopné. Súčasná mainstreamová sieťová architektúra sa riadi princípom „od vlákna-k{2}}po-hranu“ -, chrbticová a agregačné vrstvy využívajú optické vlákno, zatiaľ čo prístupová vrstva (posledných niekoľko desiatok metrov ku koncovým zariadeniam) naďalej používa meď. Neočakáva sa, že by sa tento architektonický vzor v najbližších 5 až 10 rokoch zásadne zmenil.

Aplikácie optických vlákien

Thepoužitie pre vláknovú optikupokrýva takmer všetky odvetvia, od telekomunikácií až po medicínu. Tu sú kľúčové oblasti použitia.

Telekom a internetová chrbtica

Globálny internet beží na vlákne. Podmorské káble z optických vlákien a pozemné dlhé-kanály spájajú kontinenty. 5Sieť predných a stredných sietí základňových staníc G sa tiež spolieha na vlákno, pričom každá základňová stanica vyžaduje 6 až 12 jadier z optických vlákien. V tomto meradle jepoužitie optického kábla v sietitvorí samotnú chrbticu globálnej konektivity.

Dátové centrá

Dátové centrá interne využívajú multi-módové vlákno OM3/OM4 na krátke-vysokorýchlostné{4}}vzdialenosti. Medzi dátovými centrami sa používa jedno-režimové vlákno s koherentnou optickou komunikačnou technológiou, pričom rýchlosti na-vlnovú dĺžku už dosahujú 400G a 800G nasadzovanie prebieha.

FTTH (Fibre to the Home)

FTTH prináša vlákno priamo domácim používateľom pomocou technológie PON (Passive Optical Network) na distribúciu optických signálov viacerým koncovým používateľom, čím sa dosahuje širokopásmový prístup gigabitovej{0}}triedy za nízku cenu.

Industrial and Sensing

Senzory z optických vlákien sa používajú na monitorovanie teploty a napätia, sú široko nasadené v ropovodov a plynovodov, napájacích káblov, v systémoch varovania pred požiarom tunelov a vo veľkom-monitorovaní zdravotného stavu konštrukcie.

Lekárska

Aplikácia optických vlákienv medicíne pokračuje v rozširovaní - endoskopov, chirurgických laserov a zobrazovacích systémov, ktoré sa pri osvetlení, zobrazovaní a presnej chirurgickej podpore spoliehajú na optické vlákna.

Vojenstvo a letectvo

Vláknová optika nahrádza meď vo vojenských komunikáciách, dátových zberniciach a leteckých systémoch, pričom ponúka odolnosť proti EMI a odolnosť proti odpočúvaniu. Gyroskopy z optických vlákien sú široko používané v lietadlách a systémoch navádzania rakiet.