Zināšanas

Optisko šķiedru kabeļi pārraida informāciju, sūtot gaismas signālus pa īpaši{0}}plānām stikla vai plastmasas šķiedras pavedieniem, nodrošinot ievērojami lielāku ātrumu, jaudu un pārraides diapazonu salīdzinājumā ar tradicionālajiem vara vadiem. Izgatavoti no trim galvenajiem slāņiem - iekšējā serdeņa, apkārtējā apšuvuma un ārējā aizsargpārklājuma - šie kabeļi kalpo kā mūsdienu platjoslas tīklu, telekomunikāciju infrastruktūras un rūpniecisko sakaru sistēmu mugurkauls. Sapratnekā darbojas optiskās šķiedrasvar ievērojami palīdzēt atrisināt dažas sarežģītas problēmas.

Kas ir optiskā šķiedra

Optiskā šķiedrair sakaru vadītājs, kas izmanto gaismu kā informācijas nesēju un stiklu vai plastmasu kā pārraides līdzekli. Pamatprocess darbojas šādi: elektriskie signāli tiek pārveidoti gaismas impulsos, lielā ātrumā tiek pārraidīti caur īpaši plānām stikla šķipsnām un pēc tam uztveršanas galā tiek pārveidoti atpakaļ elektriskos signālos. Standarta sakaru šķiedras diametrs ir aptuveni 125 mikrometri -, kas ir aptuveni tāds pats kā cilvēka mata diametrs. Neskatoties uz šo neticami plāno šķērsgriezumu,{5}}interjeram ir precīza daudzslāņu koncentriska struktūra, un katrs slānis pilda neatkarīgu funkciju.

Ir svarīgi atšķirt optisko šķiedru un optisko šķiedru kabeli. Aoptisko šķiedru kabelisir pilnīgs kabeļu komplekts, kurā ir viena vai vairākas optiskās šķiedras, kā arī stiprības elementi un aizsargapvalki, kas paredzēti datu pārraidīšanai kā gaismas impulsi lielos attālumos.

Optisko šķiedru kabeļa četrslāņu fiziskā struktūra

Lai saprastuno kā izgatavots optiskās šķiedras kabelis, apskatīsim tās četrus precīzi{0}}konstruētos slāņus no iekšpuses uz āru.

Kodols

Kodols atrodas pašā centrā, un tā diametrs ir no 8 līdz 62,5 mikrometriem, un tas kalpo kā faktiskais kanāls, pa kuru pārvietojas gaismas signāli. Kodols ir izgatavots no augstas -tīrības pakāpes silīcija dioksīda (SiO₂), kas leģēts ar nelielu daudzumu germānija (Ge), lai palielinātu tā refrakcijas indeksu. Kodola tīrība tieši nosaka signāla pārraides attālumu un zudumu līmeņus - komunikācijai-paredzēts, ka stikla tīrība ir 99,99% vai augstāka.

Apšuvums

Theoptisko šķiedru kabeļu apšuvumsieskauj serdi ar vienmērīgu diametru 125 mikrometri. Tas ir izgatavots arī no silīcija dioksīda, bet ar atšķirīgu dopinga formulu, kas tai piešķir nedaudz zemāku refrakcijas indeksu nekā kodolam. Šī refrakcijas indeksa atšķirība ir fiziskais priekšnoteikums, kas nodrošina gaismas signāla pārraidi - bez tās, gaisma vienkārši izplūstu no šķiedras.

Pārklājums (buferis)

Viens vai divi UV-cietināta akrilāta slāņipārklājumstiek uzklāti virs apšuvuma, palielinot kopējo šķiedras diametru līdz 250 mikrometriem. Pārklājums pasargā neapbruņotu stiklu no mikrolocīšanas, skrāpējumiem un mitruma iekļūšanas. Pārklājuma degradācija ir viens no galvenajiem šķiedru veiktspējas samazināšanās iemesliem pēc ilgstošas{3}}lietošanas.

Jaka

Ārējā aizsargkonstrukcija parasti ir izgatavota no polietilēna (PE) vai polivinilhlorīda (PVC), ar dažiem specializētiem lietojumiem, izmantojot zemas dūmu nulles halogēna (LSZH) materiālus. Jaka var saturēt arī aramīda šķiedras (Kevlar), tērauda stieples vai stiklšķiedras pastiprinātas plastmasas (FRP) stieņus kā stiprības elementus, lai uzstādīšanas laikā izturētu stiepes, spiedes un lieces spriegumus.

Šie četri slāņi - augstas-tīrības pakāpes silīcija dioksīda kodols, leģētais silīcija dioksīda pārklājums, akrilāta pārklājums un polimēra apvalks - veido būtiskāko.optisko šķiedru materiāliatrodams katrā sakaru{0}}pakāpes kabelī.

Faktiskajos izvietojumos desmitiem līdz tūkstošiem optisko šķiedru tiek apvienotas optiskā kabelī. Optiskais kabelis un optiskā šķiedra ir divi dažādi jēdzieni: šķiedra ir pārraides vide; kabelis ir pilnīgs produkts, kas sastāv no šķiedrām, stiprības elementiem un aizsargjakām.

Kā darbojas optisko šķiedru kabeļi

Pilnīga iekšējā atspulga

Pamatprincips aiz muguraskā optiskās šķiedras kabeļi pārraida datusir Total Internal Reflection (TIR). Kad gaisma virzās no vides ar augstāku refrakcijas koeficientu vidē ar zemāku laušanas koeficientu un krišanas leņķis pārsniedz kritisko leņķi, gaisma tiek atstarota par 100% atpakaļ augstāka -indeksa pusē, nevis iet caur saskarni. Šķiedru optika izmanto tieši šo principu: serdeņa laušanas koeficients (aptuveni 1,467) ir augstāks nekā apšuvums (apmēram 1,460), tāpēc gaismas signāli nepārtraukti atlec no serdeņa -apšuvuma saskarnes seklā leņķī, izplatoties pa šķiedru.

Galvenais parametrs šeit ir skaitliskā apertūra (NA). NA apraksta maksimālo leņķa diapazonu, kurā šķiedra var pieņemt ienākošo gaismu, ko nosaka refrakcijas indeksa atšķirība starp serdi un apšuvumu. Lielāks NA nodrošina lielāku savienojuma toleranci, atvieglojot izlīdzināšanu ar gaismas avotu, bet arī palielina izkliedi un pasliktina signāla kvalitāti. Šis ir viens no galvenajiem kompromisiem-šķiedru dizainā.

Pilnīga optiskā sakaru saite

Lai saprastukā darbojas optiskās šķiedras kabelisreālā{0}}pasaules sistēmā mums ir jāaplūko trīs galvenie posmioptiskās šķiedras komunikācijasaite.

Raidītājs:Elektriskie signāli vispirms tiek kodēti digitālā impulsu secībā (0s un 1s), pēc tam gaismas avots tos pārvērš optiskajos impulsos. Ir divu veidu gaismas avoti: lāzera diodes (LD) un gaismas {3}diodes (LED). Lāzera diodes piedāvā lielāku izejas jaudu, šaurāku spektra platumu un ātrāku modulācijas ātrumu, padarot tās piemērotas liela attāluma un liela ātruma scenārijiem. Gaismas diodes ir zemākas-izmaksas, taču tām ir plašāks spektra platums, kas ir piemērotas īsiem{9}}attālumiem.

Šķiedra (pārraides segments):Kad optiskie impulsi nonāk šķiedrā, tie izplatās gar serdi. Pārraides{1}}tālos attālumos optiskie pastiprinātāji tiek novietoti regulāri, lai kompensētu signāla vājināšanos. Mūsdienu blīvā viļņa garuma dalīšanas multipleksēšana (DWDM) optiskās šķiedras tehnoloģijavar vienlaicīgi pārnēsāt 80 līdz 160 dažāda viļņa garuma kanālus vienā šķiedrā, katrs neatkarīgi pārnēsā datus, nodrošinot vienas-šķiedras jaudu terabitu-per-sekundē.

Uztvērējs:Fotodetektors (parasti PIN fotodiode vai lavīnas fotodiode, APD) pārvērš saņemtos optiskos impulsus atpakaļ elektriskos signālos, kas pēc tam tiek atjaunoti sākotnējos datos, izmantojot pulksteņa atkopšanas un lēmumu pieņemšanas shēmas.

Signāla vājināšanās

Gaismas pārraide caur šķiedru nav process bez zudumiem. Signāla vājināšanās ir galvenais ierobežojumsoptiskās šķiedras komunikācijasistēmas projektēšana.

Vājināšanās nāk no trim galvenajiem avotiem. Pirmā ir materiāla absorbcija - atlikušie hidroksiljoni (OH⁻) stiklā rada absorbcijas maksimumus pie noteiktiem viļņu garumiem (aptuveni 1383 nm), tāpēc mūsdienu sakaru šķiedras galvenokārt izmanto 1310 nm un 1550 nm zemu{5}} zudumu logus. Otrais ir Rayleigh izkliedes - mijiedarbība starp gaismu un mikroskopiskā blīvuma nelīdzenumiem stiklā izraisa izkliedes zudumus, kas ir dominējošais zudumu mehānisms pie īsākiem viļņu garumiem. Trešais ir lieces zudums -, pārāk mazi šķiedras lieces rādiusi izraisa gaismas signālu noplūdi no serdes.

Atsauces nolūkā pašreizējās galvenās G.652D vienmoda šķiedras tipiskais vājināšanās ir 0,35 dB/km pie 1310 nm un 0,20 dB/km pie 1550 nm. Tas nozīmē, ka pie 1550 nm signāla jauda samazinās līdz 1% no sākotnējā līmeņa pēc 100 km nobraukuma. Tā rezultātā tālsatiksmes maģistrālajām līnijām signāla atjaunošanai ir nepieciešami optiskie pastiprinātāji ik pēc 80–100 km.

Optisko šķiedru kabeļu veidi:Viens{0}}režīms salīdzinājumā ar vairāku-režīmu

Optiskās šķiedras iedala divās galvenajās kategorijās, pamatojoties uz pārraides režīmu skaitu. Šieoptisko šķiedru kabeļu veidibūtiski atšķiras pēc fiziskajiem parametriem, veiktspējas specifikācijām un piemērotiem lietojumiem.

Viena{0}}režīmu šķiedra (SMF)

Viena -moda šķiedras serdes diametrs ir no 8 līdz 10 mikrometriem, un tā ļauj izplatīties tikai vienam pamatrežīmam (LP01). Likvidējot intermodālo izkliedi, viena -moda šķiedra sasniedz joslas platuma-attāluma produktu, kas ievērojami pārsniedz daudzmodu-šķiedru, padarot to par standarta izvēli vidēja- un liela{9}}attāluma saziņai.

Tipiski darbības viļņu garumi ir 1310 nm un 1550 nm, izmantojot kā gaismas avotus sadalītās atgriezeniskās saites lāzerdiodes (DFB-LD). Raidīšanas attālums var sasniegt desmitiem līdz simtiem kilometru (pagarināms līdz tūkstošiem kilometru ar optiskajiem pastiprinātājiem). Ārjakas krāsas kods ir dzeltens.

Galvenie standarta apzīmējumi ietver ITU-T G.652 (standarta viena-režīms), G.655 (izkliedes nobīde nav-nulles) un G.657 (nejūtīga pret līkumu, paredzēta FTTH izvietošanai).

Multi{0}}Mode Fiber (MMF)

Daudzrežīmu šķiedras serdes diametrs ir 50 vai 62,5 mikrometri, kas ļauj simtiem līdz tūkstošiemoptiskās šķiedras režīmivienlaikus izplatīties. Dažādi režīmi pārvietojas ar atšķirīgu ātrumu, nonākot pie uztvērēja dažādos laikos - parādība, ko sauc par intermodālo izkliedi -, kas tieši ierobežo vairāku-režīmu šķiedras pārraides attālumu un joslas platumu.

Tipiski darbības viļņu garumi ir 850 nm un 1300 nm, kā gaismas avotus izmantojot VCSEL (vertikālās dobuma virsmas izstarojošos lāzerus) vai LED. Pārraides attālumi parasti ir dažu simtu metru robežās. Jakas krāsas identificēšanai: OM3/OM4 izmanto aqua, OM5 izmanto laima zaļo un OM1/OM2 izmanto oranžo.

Atlases kritēriji

Starpdažāda veida šķiedras kabeļi, noteicošais faktors ir pārraides attālums. Attālumiem, kas mazāki par 300 metriem -, piemēram, iekšējie-datu-centru starpsavienojumi un -ēkas kabeļi - daudzrežīmu šķiedras piedāvā izmaksu priekšrocību, jo tās saderīgie optiskie moduļi ir ievērojami lētāki nekā viena-režīmu ekvivalenti. Tālāk par 500 metriem - universitātes pilsētiņas mugurkauliem, lielpilsētu tīkliem un tālsatiksmes{12}}maģistrālajām līnijām - viena{14}}režīms ir vienīgā reālā iespēja. Attiecīgajos optimālajos attāluma diapazonos neviens no veidiem nav universāli pārāks; vairāku režīmu risinājums bieži vien nodrošina zemākas kopējās īpašumtiesību izmaksas.

Kā tiek izgatavoti optisko šķiedru kabeļi

Optisko šķiedru kabeļi galvenokārt sastāv no īpaši -tīra silīcija stikla (silīcija dioksīda), kas optisko signālu pārraidīšanai tiek ievilkts pavedienos, kas ir plānāki par cilvēka matu. Tipisks optiskās šķiedras kabelis sastāv no vairākiem galvenajiem komponentiem: centrālā serdeņa, kas pārraida gaismas signālus, apkārtējo stikla apšuvumu, kas nodrošina iekšējo atstarošanu, polimēra aizsargpārklājuma, kas pasargā šķiedru no fiziskiem bojājumiem, un stiprinājuma elementiem, piemēram, kevlaru vai tērauda, ​​kas uzlabo kabeļa mehānisko izturību..Optisko šķiedru ražošanaatrodas precīzās ķīmijas inženierijas un optikas zinātnes krustpunktā. Viss process ir sadalīts divos posmos: sagatavju izgatavošana un šķiedru vilkšana.

Sagatavju izgatavošana

Sagatave ir augstas -tīrības pakāpes stikla stienis, kura diametrs ir aptuveni 10–20 centimetri un kura garums ir aptuveni 1 metrs, un serdes -apšuvuma refrakcijas indeksa profils jau ir izveidots iekšpusē. Ir četras galvenās ražošanas metodes: MCVD (modificētā ķīmiskā tvaiku pārklāšana), OVD (ārējā tvaiku pārklāšana), VAD (tvaika aksiālā pārklāšana) un PCVD (plazmas ķīmiskā tvaiku pārklāšana).

Kā piemēru ņemot OVD procesu: augstas -tīrības pakāpes silīcija tetrahlorīda (SiCl₄) un germānija tetrahlorīda (GeCl₄) gāzes ūdeņraža -skābekļa liesmā tiek pakļautas oksidācijas reakcijai. Iegūtās SiO₂ un GeO2 daļiņas nogulsnējas uz rotējoša mērķa stieņa, slānis pa slānim veidojot porainu stikla korpusu (sauktu par "kvēpu sagatavi"), ko pēc tam augstā temperatūrā dehidrē, saķepina un sagrūst cietā, caurspīdīgā sagatavē.

Viena sagatave var dot simtiem kilometru šķiedras. Sagataves kvalitāte nosaka visus šķiedras optiskās veiktspējas raksturlielumus -, tostarp vājināšanās, dispersijas un viļņa garuma robežvērtības - parametrus, kas ir fiksēti sagataves stadijā un kurus nevar labot vilkšanas procesā.

Šķiedru zīmējums

Sagatave tiek ievadīta vilkšanas tornī, vertikālā konstrukcijā, kura ir aptuveni 20 līdz 30 metrus augsta. Sagataves apakšējo galu uzkarsē līdz aptuveni 2000 grādiem, lai mīkstinātu stiklu, ko pēc tam gravitācijas un spriegojuma kontrolē ievelk šķiedrā ar diametru 125 mikrometri. Zīmēšanas ātrums var sasniegt 1000 līdz 2500 metru minūtē.

Zīmēšanas procesā šķiedra iziet cauri iebūvētam lāzera diametra mērierīcei, lai veiktu reāllaika uzraudzību ar precizitāti ±0,1 mikrometrs, un pēc tam nekavējoties nonāk pārklājuma stadijā - UV lampās tiek sacietēti divi akrilāta slāņi, palielinot šķiedras diametru līdz 250 mikrometriem. Viss process no mīkstināšanas līdz pārklāšanai sacietē mazāk nekā vienā sekundē.

Pēc vilkšanas šķiedrai tiek veikta izturības pārbaude, kas parasti tiek pakļauta 0,69 GPa (apmēram 1% deformācijai) spriegumam, lai novērstu sekcijas, kurās ir mikroplaisas, nodrošinot, ka piegādātās šķiedras mehāniskā uzticamība atbilst 25 gadu kalpošanas laika prasībām.

Optisko šķiedru kabeļa priekšrocības salīdzinājumā ar varu

Salīdzinot šķiedru ar varu,optiskās šķiedras priekšrocībasuzreiz kļūst skaidrs. Zemāk esošajā tabulā ir norādīts, kāpēc optiskās šķiedras ir kļuvušas par vēlamo mediju mūsdienu tīkliem.

Šķiedra un varš ir savstarpēji papildinoši, nevis konkurētspējīgi. Pašreizējā galvenā tīkla arhitektūra ievēro principu "šķiedras-līdz-malai" - mugurkaula un apkopošanas slāņi izmanto šķiedru, savukārt piekļuves slānis (pēdējie desmiti metru līdz gala ierīcēm) turpina izmantot varu. Paredzams, ka tuvāko 5 līdz 10 gadu laikā šis arhitektūras modelis būtiski nemainīsies.

Optiskās šķiedras lietojumprogrammas

Theizmanto šķiedru optikaiaptver gandrīz visas nozares, sākot no telekomunikācijām līdz medicīnai. Šeit ir norādītas galvenās pielietojuma jomas.

Telekomunikāciju un interneta mugurkauls

Globālais internets darbojas, izmantojot šķiedru. Zemūdens optisko šķiedru kabeļi un sauszemes tālsatiksmes{1}}maģistrāles kabeļi savieno kontinentus. 5G bāzes staciju frontālās un vidējās līnijas tīkli arī ir balstīti uz optisko šķiedru, un katrai bāzes stacijai ir nepieciešami 6–12 šķiedru serdeņi. Šajā mērogā,optisko šķiedru kabeļa izmantošana tīklu veidošanāveido globālās savienojamības mugurkaulu.

Datu centri

Datu centri izmanto OM3/OM4 daudzrežīmu šķiedru-neliela attāluma ātrdarbīgiem{4}}starpsavienojumiem iekšēji. Starp datu centriem tiek izmantota viena -moda šķiedra ar saskaņotu optisko sakaru tehnoloģiju, un viļņa garuma ātrums jau sasniedz 400 G un 800 G.

FTTH (šķiedras uz mājām)

FTTH nodrošina optisko šķiedru tieši privātiem lietotājiem, izmantojot PON (Passive Optical Network) tehnoloģiju, lai izplatītu optiskos signālus vairākiem galalietotājiem, nodrošinot gigabitu{0}}klases platjoslas piekļuvi par zemām izmaksām.

Industriālie un sensori

Optisko šķiedru sensori tiek izmantoti temperatūras un deformācijas uzraudzībai, ko plaši izmanto naftas un gāzes cauruļvados, strāvas kabeļos, tuneļu ugunsgrēka brīdinājuma sistēmās un liela mēroga -strukturālas veselības uzraudzībā.

Medicīnas

Optisko šķiedru pielietojumsmedicīnā turpina paplašināties - endoskopi, ķirurģijas lāzeri un attēlveidošanas sistēmas — tās visas balstās uz optiskajām šķiedrām apgaismojumam, attēlveidošanai un precīzam ķirurģiskam atbalstam.

Militārais un kosmosa

Šķiedru optika aizstāj varu militārajos sakaros, datu kopnēs un kosmosa sistēmās, piedāvājot EMI imunitāti un noklausīšanās pretestību. Optisko šķiedru žiroskopi tiek plaši izmantoti lidmašīnu un raķešu vadības sistēmās.