Conhecimento básico de fibra óptica

A invenção da fibra óptica impulsionou a revolução no campo da comunicação. Se não houver fibra óptica para fornecer canais de alta velocidade de alta capacidade, a Internet só poderá permanecer no estágio teórico. Se o século XX era a era da eletricidade, então o século XXI é a era da luz. Como a luz atinge a comunicação? Vamos aprender o conhecimento básico da comunicação óptica junto com o editor abaixo.

Parte 1. Conhecimento básico da propagação da luz

Entendendo ondas leves
As ondas leves são na verdade ondas eletromagnéticas e, no espaço livre, o comprimento de onda e a frequência das ondas eletromagnéticas são inversamente proporcionais. O produto dos dois é igual à velocidade da luz, ou seja::

Organize os comprimentos de onda ou as frequências das ondas eletromagnéticas para formar um espectro eletromagnético. De acordo com os diferentes comprimentos de onda ou frequências, as ondas eletromagnéticas podem ser divididas na região de radiação, região ultravioleta, região de luz visível, região infravermelha, região de microondas, região de onda de rádio e região de onda longa. As bandas usadas para comunicação são principalmente a região infravermelha, a região de microondas e a região de onda de rádio. A imagem a seguir o ajudará a entender a divisão de bandas de comunicação e a mídia de propagação correspondente em minutos.

O protagonista deste artigo, "Comunicação de fibra óptica", usa ondas leves na banda infravermelha. Quando se trata desse ponto, as pessoas podem se perguntar por que deve estar na banda infravermelha? Este problema está relacionado à perda de transmissão óptica de materiais de fibra óptica, a saber, vidro de sílica. Em seguida, precisamos entender como as fibras ópticas transmitem luz.

Refração, reflexão e reflexão total da luz

Quando a luz é emitida de uma substância para outra, a refração e a reflexão ocorrem na interface entre as duas substâncias, e o ângulo de refração aumenta com o ângulo da luz incidente. Como mostrado na Figura ① → ②. Quando o ângulo do incidente atinge ou excede um certo ângulo, a luz refratada desaparece e toda a luz incidente é refletida de volta, que é o reflexo total da luz, como mostrado em ② → ③ na figura a seguir.

Materiais diferentes têm diferentes índices de refração, portanto a velocidade da propagação da luz varia em diferentes mídias. O índice de refração é representado por n, n = c/v, onde C é a velocidade no vácuo e V é a velocidade de propagação no meio. Um meio com um índice de refração mais alto é chamado de meio opticamente denso, enquanto um meio com um índice de refração mais baixo é chamado de meio opticamente esparso. As duas condições para que a reflexão total ocorra são:
1. Transmissão de meio opticamente denso para meio opticamente esparso
2. O ângulo incidente é maior ou igual ao ângulo crítico da reflexão total
Para evitar vazamento de sinal óptico e reduzir a perda de transmissão, a transmissão óptica nas fibras ópticas ocorre sob condições totais de reflexão.

Parte 2. Introdução ao meio de propagação óptica (fibra óptica)

Estrutura de fibra óptica

Com o conhecimento básico da propagação da luz total de reflexão, é fácil entender a estrutura de design das fibras ópticas. A fibra nua da fibra óptica é dividida em três camadas: a primeira camada é o núcleo, localizado no centro da fibra e é composto por dióxido de silício de alta pureza, também conhecido como vidro. O diâmetro do núcleo geralmente é de 9 a 10 mícrons (modo único), 50 ou 62,5 mícrons (multi-modo). O núcleo da fibra possui um alto índice de refração e é usado para transmitir luz. Passo de segunda camada: localizado em torno do núcleo de fibra, também composto por vidro de sílica (com um diâmetro de geralmente 125 mícrons). O índice de refração do revestimento é baixo, formando uma condição total de reflexão juntamente com o núcleo de fibra. A terceira camada de revestimento: a camada mais externa é um revestimento de resina reforçado. O material da camada protetora tem alta resistência e pode suportar grandes impactos, protegendo a fibra óptica da erosão de vapor de água e abrasão mecânica.

Perda de transmissão óptica

A perda de transmissão de fibra óptica é um fator muito importante que afeta a qualidade da comunicação de fibra óptica. Os principais fatores que causam a atenuação dos sinais ópticos incluem perda de materiais de absorção, perda de dispersão durante a transmissão e outras perdas causadas por fatores como flexão de fibra, compressão e perda de encaixe.

O comprimento de onda da luz é diferente e a perda de transmissão nas fibras ópticas também é diferente. Para minimizar a perda e garantir o efeito da transmissão, os cientistas estão comprometidos em encontrar a luz mais adequada. A luz na faixa de comprimento de onda de 1260nm ~ 1360nm tem a menor distorção de sinal causada pela dispersão e a menor perda de absorção. Nos primeiros dias, essa faixa de comprimento de onda foi adotada como a banda de comunicação óptica. Posteriormente, após um longo período de exploração e prática, os especialistas resumiram gradualmente uma faixa de comprimento de onda de baixa perda (1260nm ~ 1625nm), que é mais adequado para transmissão em fibras ópticas. Portanto, as ondas leves usadas na comunicação de fibra óptica geralmente estão na banda infravermelha.

Classificação de fibra óptica

Fibra óptica multimodo: transmite vários modos, mas a grande dispersão inter modal limita a frequência de transmissão de sinais digitais, e essa limitação se torna mais severa com o aumento da distância de transmissão. Portanto, a distância da transmissão de fibra óptica multimodo é relativamente curta, geralmente apenas alguns quilômetros.
Fibra de modo único: com um diâmetro de fibra muito pequeno, teoricamente, apenas um modo pode ser transmitido, tornando -o adequado para comunicação remota.

Parte 3. Princípio de trabalho do sistema de comunicação de fibra óptica

Sistema de comunicação de fibra óptica

Os produtos de comunicação comumente usados, como telefones celulares e computadores, transmitem informações na forma de sinais elétricos. Ao realizar a comunicação óptica, a primeira etapa é converter sinais elétricos em sinais ópticos, transmitir -os através de cabos de fibra óptica e converter os sinais ópticos em sinais elétricos para alcançar o objetivo da transmissão de informações. O sistema básico de comunicação óptica consiste em um transmissor óptico, um receptor óptico e um circuito de fibra óptica para transmitir luz. Para garantir a qualidade da transmissão de sinal de longa distância e melhorar a largura de banda de transmissão, geralmente são utilizados repetidores e multiplexadores ópticos.

Abaixo está uma breve introdução ao princípio de trabalho de cada componente no sistema de comunicação de fibra óptica.

Transmissor óptico:Converte sinais elétricos em sinais ópticos, compostos principalmente de moduladores de sinal e fontes de luz.

Multiplexador de sinal:casais múltiplos sinais de transportadoras ópticas de diferentes comprimentos de onda na mesma fibra óptica para transmissão, alcançando o efeito da capacidade de transmissão duplicando.

Repetidor óptico:Durante a transmissão, a forma de onda e a intensidade do sinal se deterioram, por isso é necessário restaurar a forma de onda na forma de onda arrumada do sinal original e aumentar a intensidade da luz.

Demultiplexador de sinal:Decomponha o sinal multiplexado em seus sinais individuais originais.

Receptor óptico:Converte o sinal óptico recebido em um sinal elétrico, composto principalmente por um fotodetector e um desmodulador.

Parte 4. Vantagens e aplicações da comunicação óptica

Vantagens da comunicação óptica:

1. Distância longa do relé, economia e economia de energia
Assumindo a transmissão de 10 Gbps (10 bilhões de 0 ou 1 sinais por segundo) de informação, se a comunicação elétrica for usada, o sinal precisará ser retransmitido e ajustado a cada poucas centenas de metros. Comparado a isso, o uso de comunicação óptica pode atingir uma distância de relé de mais de 100 quilômetros. Quanto menos vezes o sinal for ajustado, menor o custo. Por outro lado, o material da fibra óptica é o dióxido de silício, que possui reservas abundantes e custo muito menor que o fio de cobre. Portanto, a comunicação óptica tem um efeito econômico e de economia de energia.

2. Transmissão de informação rápida e alta qualidade de comunicação

Por exemplo, agora ao conversar com amigos no exterior ou conversar on -line, o som não é tão atrasado quanto antes. Na era da telecomunicação, a comunicação internacional depende principalmente de satélites artificiais como relés para transmissão, resultando em caminhos de transmissão mais longos e chegada mais lenta do sinal. E comunicação óptica, com a ajuda de cabos submarinos, reduz a distância da transmissão, tornando a transmissão de informações mais rapidamente. Portanto, o uso de comunicação óptica pode obter uma comunicação mais suave com o exterior.

3. Forte capacidade anti-interferência e boa confidencialidade

A comunicação elétrica pode sofrer erros devido à interferência eletromagnética, levando a uma diminuição na qualidade da comunicação. No entanto, a comunicação óptica não é afetada pelo ruído elétrico, tornando -o mais seguro e confiável. E devido ao princípio da reflexão total, o sinal é completamente confinado à fibra óptica para transmissão, portanto a confidencialidade é boa.

4. Capacidade de transmissão grande
Geralmente, a comunicação elétrica pode transmitir apenas 10 Gbps (10 bilhões de 0 ou 1 sinais por segundo) de informação, enquanto a comunicação óptica pode transmitir 1 Tbps (1 trilhão 0 ou 1 sinais) de informação.

Aplicação de comunicação óptica

Existem muitas vantagens na comunicação óptica e foi integrada a todos os cantos de nossas vidas desde o seu desenvolvimento. Dispositivos como telefones celulares, computadores e telefones IP que usam a Internet conectam todos à sua região, todo o país e até à rede de comunicação global. Por exemplo, os sinais emitidos por computadores e telefones celulares se reúnem nas estações de base de comunicação local e equipamentos de provedores de rede e são transmitidos a várias partes do mundo através de cabos de fibra óptica em cabos submarinos.

A realização de atividades diárias, como chamadas de vídeo, compras on -line, videogames e compulsão, todos confiam em seu apoio e assistência nos bastidores. O surgimento de redes ópticas tornou nossas vidas mais confortáveis ​​e convenientes.