Как работает волоконная оптика

Волоконно-оптические линии представляют собой нити оптически чистого стекла толщиной с человеческий волос, которые передают цифровую информацию на большие расстояния. Они также используются в медицинской визуализации и инспекции машиностроения. Они практически заменили старую технологию медных проводов в телекоммуникациях.

В этой статье мы покажем вам, как эти крошечные стеклянные пряди пропускают свет и как они создаются.

Содержание

1. Что такое волоконная оптика?

2.How оптическое волокно передает свет?

3. Волоконно-оптическая релейная система

4. Преимущества волоконной оптики

5.How оптические волокна?

Что такое волоконная оптика?

Волоконная оптика (оптические волокна) - это длинные тонкие пряди очень чистого стекла диаметром около человеческого волоса. Они расположены в пучках, называемых оптическими кабелями, и используются для передачи световых сигналов на большие расстояния.

Если вы внимательно посмотрите на одно оптическое волокно, вы увидите, что оно состоит из следующих частей:

сердечник - тонкий центр волокна, куда распространяется свет

облицовка - внешний оптический материал, окружающий сердечник, который отражает свет обратно в сердечник

буфер - защитное пластиковое покрытие, наносимое непосредственно на оптическое волокно

куртка защитный наружный слой кабеля, защищающий волокно от повреждений и влаги

Сотни или тысячи этих оптических волокон расположены пучками в оптических кабелях.

Оптические волокна бывают двух типов:

одномодовые волокна

многомодовые волокна

Одномодовые волокна имеют небольшие сердечники (около 3,5 х 10-4 дюймов или 9 микрон в диаметре) и передают инфракрасный лазерный свет (длина волны = 1300 до 1550 нанометров или нм). Многомодовые волокна имеют более крупные сердечники (около 2,5 х 10-3 дюймов или 62,5 микрон в диаметре) и передают инфракрасный свет (длина волны = 850 до 1300 нм) от светодиодов (светодиодов).

Некоторые оптические волокна могут быть изготовлены из пластика. Эти волокна имеют большую сердцевину (0,04 дюйма или 1 миллиметр в диаметре) и могут использоваться с кремниевыми чипами. Стекловолокно плохо работает с кремнием и дорого адаптируется.

Как оптическое волокно передает свет?

Предположим, вы хотите светить лучом фонарика по длинному прямому коридору. Просто направьте луч прямо по коридору — light travels in straight lines, so it is no problem. What if the hallway has a bend in it? You could place a mirror at the bend to reflect the light beam around the corner. What if the hallway is very winding with multiple bends? You might line the walls with mirrors and angle the beam so that it bounces from side-to-side all along the hallway. This is exactly what happens in an optical fiber.

Свет в оптоволоконном кабеле проходит через сердечник (коридор), постоянно отскакивая от облицовки (зеркальные стены), принцип, называемый полным внутренним отражением. Поскольку оболочка не поглощает свет от сердечника, световая волна может преодолевать большие расстояния.

Однако часть сигнала в волокне теряется по мере его прохождения на большие расстояния. Степень ухудшения сигнала зависит от чистоты стекла, количества изгибов в волокне или сращиваний, соединяющих участки волокна, и длины волны пропускаемого света.

Например, с многомодовым волокном, диаметры 850 нм = 3 дБ / км; 1300 нм = 1 дБ / км. Для одномодового кабеля 1310 нм = 0,5 дБ / км; 1550 нм = 0,4 дБ / км).

Волоконно-оптическая релейная система

Чтобы понять, как оптические волокна используются в системах связи, давайте рассмотрим пример из фильма или документального фильма о Второй мировой войне, где два военных корабля флота должны общаться друг с другом, сохраняя радиомолчание или в бурном море. Один корабль подъезжает рядом с другим. Капитан одного корабля отправляет сообщение моряку на палубе. Моряк переводит сообщение в код Морзе (точки и тире) и использует сигнальный свет (прожектор с венецианским затвором слепого типа на нем) для отправки сообщения на другой корабль. Моряк на палубе другого корабля видит сообщение с кодом Морзе, расшифровывает его на английский язык и отправляет сообщение капитану.

Теперь представьте, что вы делаете это, когда корабли находятся по обе стороны океана, разделенные тысячами миль, и между двумя кораблями установлена волоконно-оптическая система связи. Волоконно-оптические релейные системы состоят из следующего:

tranSMitter - производит и кодирует световые сигналы

оптическое волокно - проводит световые сигналы на расстояние

оптический регенератор - может потребоваться для усиления светового сигнала (на большие расстояния)

оптический приемник - принимает и декодирует световые сигналы

Преимущества волоконной оптики

Почему волоконно-оптические системы революционизируют телекоммуникации? По сравнению с обычным металлическим проводом (медным проводом), оптические волокна:

Менее дорогие. Волоконно-оптический кабель дороже медного, но также требует меньшего обслуживания. В долгосрочной перспективе это экономит деньги вас и вашего интернет-провайдера.

Более тонкие. Оптические волокна могут быть привлечены к меньшим диаметрам, чем медная проволока.

Иметь более высокую пропускную способность. Поскольку оптические волокна тоньше медных проводов, в кабель заданного диаметра можно соединить больше волокон, чем медных проводов. Это позволяет большему количеству телефонных линий проходить по одному и тому же кабелю или большему количеству каналов проходить через кабель в вашу коробку кабельного телевидения.

Имейте меньше деградации сигнала. Потеря сигнала в оптическом волокне меньше, чем в медном проводе.

Не мешайте световым сигналам. В отличие от электрических сигналов в медных проводах, световые сигналы от одного волокна не мешают сигналам других волокон в одном кабеле. Это означает более четкие телефонные разговоры или прием телевизора.

Иметь меньшую мощность. Поскольку сигналы в оптических волокнах ухудшаются меньше, вместо высоковольтных электрических передатчиков, необходимых для медных проводов, можно использовать передатчики с меньшей мощностью. Опять же, это экономит деньги вас и вашего провайдера.

Иметь цифровые сигналы. Оптические волокна идеально подходят для передачи цифровой информации, что особенно полезно в компьютерных сетях.

Не воспламеняются. Поскольку электричество не пропускается через оптические волокна, оно не создает тепла, снижая риск возникновения пожара.

Легкий. Оптический кабель весит меньше, чем сопоставимый медный кабель (4 фунта или 2 килограмма на 1000 футов или 305 метров по сравнению с 39 фунтами или 18 килограммами на 1000 футов). Волоконно-оптические кабели также занимают меньше места в земле.

Гибкие. Поскольку волоконная оптика очень гибкая и может передавать и принимать свет, она используется во многих гибких цифровых камерах для следующих целей:

медицинская визуализация - в бронхоскопах, эндоскопах, лапароскопах

механическая визуализация - осмотр механических сварных швов в трубах и двигателях (в самолетах, ракетах, космических челноках, автомобилях)

сантехника - для осмотра канализационных линий

Из-за этих преимуществ вы видите волоконную оптику во многих отраслях, в первую очередь в телекоммуникационных и компьютерных сетях. Например, если вы позвонили в Европу по стационарной линии из США (или наоборот), и сигнал отскакивает от спутника связи, вы часто слышите эхо на линии. Но с трансатлантическими оптоволоконными кабелями у вас есть прямое соединение без эхо-сигналов.

Как производятся оптические волокна?

Теперь, когда мы знаем, как работают волоконно-оптические системы и почему они полезны, как они их делают? Оптические волокна сделаны из чрезвычайно чистого оптического стекла. Мы считаем стеклянное окно прозрачным, но чем толще становится стекло, тем менее прозрачным оно становится из-за примесей в стекле. Однако стекло в оптическом волокне имеет гораздо меньше примесей, чем оконное стекло.

Изготовление оптических волокон требует следующих этапов:

1. изготовление преформы стеклянного цилиндра

2.drawing волокна от преформы

3.тестирование волокон

Делаем преформу пустой

Стекло для преформы изготавливается с помощью процесса, называемого модифицированным химическим осаждением из паровой фазы (MCVD).

В MCVD кислород барботируется через растворы тетрахлорида кремния (SiCl4), тетрахлорида германия (GeCl4), трихлорида фосфора (PoCl3) и / или других химических веществ. Точная смесь регулирует различные физические и оптические свойства (индекс преломления, коэффициент расширения, температуру плавления и т. д.). Затем пары газа переносятся внутрь трубки из синтетического кремнезема или кварца (оболочка) на специальном токарном станке. По мере вращения токарного станка факел перемещается вверх и вниз по внешней стороне трубки. Сильное тепло от факела приводит к двум причинам:

Кремний и германий реагируют с кислородом, образуя диоксид кремния (SiO2) и диоксид германия (GeO2).

Диоксид кремния и диоксид германия осаждаются на внутренней стороне трубки и сливаются вместе, образуя стекло.

Токарный станок вращается непрерывно, чтобы сделать ровное покрытие и стабильную заготовку. Чистота стекла поддерживается за счет использования коррозионно-стойкого пластика в системе подачи газа (блоки клапанов, трубы, уплотнения) и точного контроля потока и состава смеси. Процесс изготовления заготовки высоко автоматизирован и занимает несколько часов. После охлаждения заготовки она тестируется на контроль качества (индекс преломления).

Рисование волокон из заготовки

После того, как заготовка заготовки была протестирована, ее загружают в волоконную чертежную башню.

Заготовку опускают в графитовую печь (от 3452 до 3992 градусов по Фаренгейту или от 1900 до 2200 градусов по Цельсию), а наконечник расплавляют до тех пор, пока расплавленный шар не упадет под действием силы тяжести. По мере падения он охлаждается и образует нить.

Оператор продевает нить через ряд чашек для покрытия (буферные покрытия) и печи для отверждения ультрафиолетовым светом на катушку, управляемую трактором. Тракторный механизм медленно вытягивает волокно из нагретой заготовки заготовки и точно контролируется с помощью лазерного микрометра для измерения диаметра волокна и подачи информации обратно в тракторный механизм.

Волокна вытягиваются из заготовки со скоростью до 66 футов / с (20 м / с), а готовое изделие наматывается на катушку. Нередко отдельные катушки содержат мили или километры оптического волокна.

Тестирование готового оптического волокна

Готовое оптическое волокно тестируется на следующее:

Прочность на растяжение. Должен выдерживать 100 000 фунтов / дюйм2 или более

Профиль показателя преломления. Определение числовой апертуры, а также экрана для оптических дефектов

Геометрия волокна. Диаметр сердечника, размеры плакирования и диаметр покрытия однородны

Затухание. Определите степень, в которой световые сигналы различных длин волн ухудшаются на расстоянии

Информационная пропускная способность (полоса пропускания). Количество сигналов, которые могут передаваться за один раз (многомодовые волокна)

Хроматическая дисперсия. Распространение различных длин волн света через ядро (важно для пропускной способности)

Диапазон рабочих температур / влажности

Температурная зависимость ослабления

Возможность проводить свет под водой. Важно для подводных кабелей

После того, как волокна прошли контроль качества, они продаются телефонным компаниям, кабельным компаниям и сетевым провайдерам. Большинство компаний заменили свои старые системы на основе медных проводов новыми системами на основе волоконно-оптических для повышения скорости, емкости и четкости.