Znalost

Kabely s optickými vlákny přenášejí informace odesíláním světelných signálů po ultra-tenkých pramenech skleněných nebo plastových vláken, čímž poskytují výrazně vyšší rychlost, kapacitu a dosah přenosu ve srovnání s tradičními měděnými kabely. Tyto kabely sestávají ze tří klíčových vrstev - vnitřního jádra, okolního pláště a vnějšího ochranného povlaku - a slouží jako páteř moderních širokopásmových sítí, telekomunikační infrastruktury a průmyslových komunikačních systémů. Porozuměníjak fungují optická vláknamůže výrazně pomoci vyřešit některé náročné problémy.

Co je optické vlákno

Optické vláknoje komunikační vodič, který využívá světlo jako svůj informační nosič a sklo nebo plast jako přenosové médium. Základní proces funguje následovně: elektrické signály jsou přeměněny na světelné pulsy, přenášené vysokou rychlostí přes extrémně tenké skleněné prameny a poté přeměněny zpět na elektrické signály na přijímacím konci. Standardní komunikační vlákno má průměr asi 125 mikrometrů -, což je zhruba stejný jako lidský vlas. Navzdory tomuto neuvěřitelně tenkému-průřezu se interiér vyznačuje precizní vícevrstvou soustřednou strukturou, přičemž každá vrstva plní nezávislou funkci.

Je důležité rozlišovat mezi optickým vláknem a optickým kabelem. Aoptický kabelje kompletní kabelová sestava, která obsahuje jedno nebo více optických vláken spolu s pevnostními prvky a ochrannými plášti, navržená pro přenos dat jako pulzy světla na dlouhé vzdálenosti.

Čtyř{0}}vrstvá fyzická struktura kabelu z optických vláken

Abych pochopilz čeho je vyroben optický kabel, podívejme se blíže na jeho čtyři precizně{0}}konstruované vrstvy zevnitř ven.

Jádro

Jádro se nachází v samém středu a má průměr v rozmezí od 8 do 62,5 mikrometrů a slouží jako skutečný kanál, kterým putují světelné signály. Jádro je vyrobeno z vysoce čistého oxidu křemičitého (SiO₂) dopovaného stopovým množstvím germania (Ge), aby se zvýšil jeho index lomu. Čistota jádra přímo určuje vzdálenost přenosu signálu a úrovně ztrát - komunikační-vlákno vyžaduje čistotu skla 99,99 % nebo vyšší.

Opláštění

Theopláštění kabelu z optických vlákenobklopuje jádro o jednotném průměru 125 mikrometrů. Je také vyroben z oxidu křemičitého, ale s jiným dopingovým vzorcem, který mu dává o něco nižší index lomu než jádro. Tento rozdíl indexu lomu je fyzikálním předpokladem, který umožňuje přenos světelného signálu - bez něj by světlo jednoduše uniklo ven z vlákna.

Povlak (pufr)

Jedna nebo dvě vrstvy UV-vytvrzeného akrylátupovlakse aplikují na plášť, čímž se celkový průměr vlákna zvýší na 250 mikrometrů. Povlak chrání holé sklo před mikroohybem, poškrábáním a pronikáním vlhkosti. Degradace povlaku je jednou z hlavních příčin poklesu výkonu vláken po dlouhodobém-používání.

Bunda

Vnější ochranná struktura je obvykle vyrobena z polyethylenu (PE) nebo polyvinylchloridu (PVC), přičemž některé specializované aplikace používají materiály s nízkým obsahem kouře a nulového halogenu (LSZH). Plášť může také obsahovat aramidová vlákna (Kevlar), ocelový drát nebo skelným vláknem vyztužené plastové (FRP) tyče jako pevnostní prvky, které odolávají tahovému, tlakovému a ohybovému namáhání během instalace.

Společně tyto čtyři vrstvy - vysoce-jádro z oxidu křemičitého, obložení z dopovaného oxidu křemičitého, akrylátový povlak a polymerový plášť - tvoří základnímateriály z optických vlákennajdete v každém komunikačním-kabelu.

Ve skutečném nasazení jsou desítky až tisíce optických vláken svázány dohromady do optického kabelu. Optický kabel a optické vlákno jsou dva různé pojmy: vlákno je přenosové médium; kabel je kompletní produkt obsahující vlákna, pevnostní prvky a ochranné pláště.

Jak fungují optické kabely

Totální vnitřní odraz

Základní princip v pozadíjak optické kabely přenášejí dataje totální vnitřní odraz (TIR). Když světlo putuje z média s vyšším indexem lomu do média s nižším indexem lomu a úhel dopadu překročí kritický úhel, světlo se odrazí o 100 % zpět na stranu s vyšším indexem, než aby prošlo rozhraním. Vláknová optika využívá přesně tohoto principu: index lomu jádra (přibližně 1,467) je vyšší než index lomu pláště (přibližně 1,460), takže světelné signály se nepřetržitě odrážejí od rozhraní pláště jádra- pod malými úhly a šíří se podél vlákna.

Klíčovým parametrem je zde číselná apertura (NA). NA popisuje maximální úhlový rozsah, ve kterém může vlákno přijímat příchozí světlo, určený rozdílem indexu lomu mezi jádrem a pláštěm. Větší NA poskytuje větší toleranci vazby, což usnadňuje zarovnání se světelným zdrojem, ale také zvyšuje rozptyl a zhoršuje kvalitu signálu. Toto je jeden z klíčových kompromisů-v designu vláken.

Kompletní optické komunikační spojení

Abych pochopiljak funguje optický kabelve skutečném-systému se musíme podívat na tři základní fázekomunikace pomocí optických vlákenodkaz.

Vysílač:Elektrické signály jsou nejprve zakódovány do digitální sekvence pulzů (0s a 1s), poté je světelný zdroj převede na optické pulzy. Existují dva typy světelných zdrojů: laserové diody (LD) a světelné -diody (LED). Laserové diody nabízejí vyšší výstupní výkon, užší spektrální šířku a vyšší rychlost modulace, díky čemuž jsou vhodné pro scénáře na velké -vzdálenosti a vysoké-rychlosti. LED diody jsou levnější-, ale mají širší spektrální šířku a jsou vhodné pro aplikace na krátké-vzdálenosti.

Vlákno (převodový segment):Jakmile optické pulsy vstoupí do vlákna, šíří se podél jádra. Při přenosu na velkou vzdálenost- jsou optické zesilovače umístěny v pravidelných intervalech, aby kompenzovaly útlum signálu. Moderní multiplexování s dělením hustých vlnových délek (DWDM) technologie optických vlákenmůže současně přenášet 80 až 160 kanálů různých vlnových délek v jednom vláknu, z nichž každý přenáší data nezávisle, což umožňuje kapacitu jednoho-vlákna na úrovni terabitů-za-sekundu.

Přijímač:Fotodetektor (typicky PIN fotodioda nebo lavinová fotodioda, APD) převádí přijaté optické pulsy zpět na elektrické signály, které jsou poté obnoveny na původní data prostřednictvím obnovy hodin a rozhodovacích obvodů.

Útlum signálu

Prostup světla vláknem není bezeztrátový proces. Útlum signálu je základním omezenímoptická komunikacenávrh systému.

Útlum pochází ze tří hlavních zdrojů. První je materiálová absorpce - zbytkové hydroxylové ionty (OH⁻) ve skle vytvářejí absorpční píky na specifických vlnových délkách (kolem 1383 nm), proto moderní komunikační vlákna primárně využívají nízkoztrátová okna 1310 nm a 1550 nm. Druhým je Rayleighův rozptyl - interakce mezi světlem a mikroskopickými nepravidelnostmi hustoty ve skle způsobují rozptylové ztráty, dominantní ztrátový mechanismus na kratších vlnových délkách. Třetí je ztráta ohybu - příliš malé poloměry ohybu vlákna způsobují únik světelných signálů z jádra.

Pro srovnání, současné mainstreamové jednorežimové vlákno G.652D má typický útlum 0,35 dB/km při 1310 nm a 0,20 dB/km při 1550 nm. To znamená, že při 1550 nm výkon signálu po ujetí 100 km klesne na 1 % původní úrovně. Dálkové{11}}linky proto vyžadují každých 80 až 100 km optické zesilovače pro regeneraci signálu.

Typy optických kabelů:Jednoduchý-režim vs. více-režim

Optická vlákna jsou rozdělena do dvou hlavních kategorií na základě počtu přenosových režimů. Tytotypy optických kabelůse zásadně liší fyzickými parametry, výkonnostními specifikacemi a vhodnými aplikacemi.

Jedno{0}}režimové vlákno (SMF)

Jedno{0}}vidové vlákno má průměr jádra 8 až 10 mikrometrů a umožňuje šíření pouze jednoho základního módu (LP01). Odstraněním intermodálního rozptylu dosahuje jedno-vlákno s jedním režimem-vzdálenosti, která daleko převyšuje produkty s více-vlákny, což z něj činí standardní volbu pro komunikaci na střední- a dlouhé-vzdálenosti.

Typické provozní vlnové délky jsou 1310 nm a 1550 nm, přičemž jako zdroje světla se používají laserové diody s distribuovanou zpětnou vazbou (DFB-LD). Přenosová vzdálenost může dosahovat desítek až stovek kilometrů (rozšiřitelná na tisíce kilometrů optickými zesilovači). Kód barvy vnějšího pláště je žlutý.

Mezi hlavní standardní označení patří ITU-T G.652 (standardní jeden-režim), G.655 (bez -nulového rozptylu posunutý) a G.657 (necitlivý na ohyb-, navržený pro nasazení FTTH).

Více{0}}režimové vlákno (MMF)

Více{0}}režimové vlákno má průměr jádra 50 nebo 62,5 mikrometrů, což umožňuje stovky až tisícerežimy optického vláknapropagovat zároveň. Různé režimy se pohybují různou rychlostí a dostávají se k přijímači v různou dobu - fenomén nazývaný intermodální disperze -, který přímo omezuje přenosovou vzdálenost a šířku pásma multi-vlákna.

Typické provozní vlnové délky jsou 850 nm a 1300 nm, přičemž se jako světelné zdroje používají VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) nebo LED diody. Přenosové vzdálenosti jsou obvykle do několika set metrů. Pro identifikaci barvy bundy: OM3/OM4 používá aqua, OM5 používá limetkovou zelenou a OM1/OM2 používá oranžovou.

Výběrová kritéria

Mezirůzné typy optických kabelů, rozhodujícím faktorem je přenosová vzdálenost. Pro vzdálenosti menší než 300 metrů -, jako jsou propojení v rámci -datových-center a -kabeláž v budovách, nabízí - více{7}}vlákno mnohorežimové vlákno, protože jeho kompatibilní optické moduly jsou výrazně levnější než ekvivalenty s jedním-režimem. Za 500 metrů - páteřní sítě kampusu, metropolitní sítě a -dlouhé hlavní linky - jediné-vlákno je jedinou schůdnou možností. V rámci jejich příslušných optimálních vzdáleností není žádný typ univerzálně lepší; řešení s více{16}}režimy často přináší nižší celkové náklady na vlastnictví.

Jak se vyrábějí optické kabely

Kabely z optických vláken se skládají především z ultra-čistého křemičitého skla (oxid křemičitý), který je pro přenos optických signálů vtažen do vláken tenčích než lidský vlas. Typický kabel z optických vláken se skládá z několika klíčových součástí: centrální jádro, které přenáší světelné signály, okolní skleněný plášť, který umožňuje vnitřní odraz, polymerový ochranný povlak, který chrání vlákno před fyzickým poškozením, a výztužné prvky, jako je kevlar nebo ocel, které zvyšují mechanickou odolnost kabelu..Výroba optických vlákense nachází na průsečíku přesného chemického inženýrství a optické vědy. Celý proces je rozdělen do dvou fází: výroba předlisku a tažení vláken.

Výroba předlisku

Předlisek je vysoce ryzí skleněná tyčinka o průměru přibližně 10 až 20 centimetrů a délce asi 1 metru, s profilem indexu lomu -obalu jádra již vytvořeným uvnitř. Existují čtyři hlavní výrobní metody: MCVD (Modified Chemical Vapour Deposition), OVD (Outside Vapour Deposition), VAD (Vapor Axial Deposition) a PCVD (Plasma Chemical Vapour Deposition).

Vezměme si jako příklad proces OVD: plyny chloridu křemičitého (SiCl4) a germanium tetrachloridu (GeCl4) o vysoké -čistotě podléhají oxidačním reakcím v plameni vodíku-kyslíku. Výsledné částice SiO₂ a GeO₂ se ukládají na rotující terčovou tyč a vytvářejí vrstvu po vrstvě za vzniku porézního skleněného tělesa (nazývaného „předlisek sazí“), který je poté dehydratován při vysoké teplotě, sintrován a zhroucen do pevného, ​​průhledného předlisku.

Jediný předlisek může poskytnout stovky kilometrů vláken. Kvalita předlisku určuje všechny charakteristiky optického výkonu vlákna - včetně parametrů útlumu, disperze a mezní vlnové délky -, které jsou uzamčeny ve fázi předlisku a nelze je během procesu kreslení opravit.

Kreslení vláken

Předlisek je přiváděn do tažné věže, vertikální konstrukce vysoké přibližně 20 až 30 metrů. Spodní konec předlisku se zahřeje na přibližně 2 000 stupňů, aby sklo změklo, které se pak pomocí gravitace a tahu táhne do vlákna o průměru 125 mikrometrů. Rychlost tažení může dosáhnout 1 000 až 2 500 metrů za minutu.

Během procesu tažení vlákno prochází inline laserovým měřidlem průměru pro sledování v reálném čase- s přesností ±0,1 mikrometru, poté okamžitě vstupuje do fáze potahování - dvě vrstvy akrylátu jsou vytvrzeny pod UV lampami, čímž se průměr vlákna zvýší na 250 mikrometrů. Celý proces od změkčení po nátěr vytvrdne za méně než jednu sekundu.

Po vytažení je vlákno podrobeno zkušebnímu testování, které je obvykle vystaveno tahu 0,69 GPa (přibližně 1 % deformace), aby se odstranily části obsahující mikrotrhliny a zajistilo se, že mechanická spolehlivost dodávaného vlákna splňuje požadavek na životnost 25 let.

Výhody kabelu z optických vláken oproti mědi

Při srovnání vlákna s mědí,výhody optického vláknaokamžitě vyjasnit. Níže uvedená tabulka zdůrazňuje, proč se vlákno stalo preferovaným médiem pro moderní sítě.

Vlákna a měď se doplňují, nejsou konkurenceschopné. Současná mainstreamová síťová architektura se řídí principem „fiber-to{2}}to{3}}edge“ - páteřní a agregační vrstvy využívají optické vlákno, zatímco přístupová vrstva (posledních několik desítek metrů ke koncovým zařízením) nadále používá měď. Neočekává se, že by se tento architektonický vzor v příštích 5 až 10 letech zásadně změnil.

Aplikace optických vláken

Thepoužití pro vláknovou optikupokrývají téměř všechna odvětví, od telekomunikací po lékařství. Zde jsou klíčové oblasti použití.

Telecom a internetová páteř

Globální internet běží na vláknech. Podmořské kabely z optických vláken a pozemní dlouhé-kabely propojují kontinenty. 5Přední a střední sítě základnových stanic G také spoléhají na vlákno, přičemž každá základnová stanice vyžaduje 6 až 12 vláken. V tomto měřítku jepoužití optického kabelu v sítíchtvoří samotnou páteř globální konektivity.

datová centra

Datová centra interně používají multi-vlákno OM3/OM4 pro krátkodobá-vysokorychlostní{4}}propojení. Mezi datovými centry se používá jedno-režimové vlákno s technologií koherentní optické komunikace, přičemž rychlosti na vlnovou délku již dosahují 400G a 800G.

FTTH (Fibre to the Home)

FTTH přináší vlákno přímo domácím uživatelům pomocí technologie PON (Passive Optical Network) k distribuci optických signálů více koncovým uživatelům, čímž je dosaženo širokopásmového přístupu na gigabitovou-třídu za nízkou cenu.

Industrial and Sensing

Senzory z optických vláken se používají k monitorování teploty a napětí, široce se používají v ropovodech a plynovodech, napájecích kabelech, systémech varování před požárem tunelů a ve velkém-monitorování zdravotního stavu konstrukcí.

Lékařský

Aplikace optických vlákenv medicíně pokračuje rozšiřování - endoskopů, chirurgických laserů a zobrazovacích systémů, všechny spoléhají na optická vlákna pro osvětlení, zobrazování a přesnou chirurgickou podporu.

Vojenství a letectví

Vláknová optika nahrazuje měď ve vojenských komunikacích, datových sběrnicích a leteckých systémech a nabízí odolnost proti EMI a odolnost proti odposlechu. Vláknové optické gyroskopy jsou široce používány v letadlech a naváděcích systémech raket.