Який принцип роботи оптичного волокна? Як світло можна перетворити на інші форми сигналу?

Оптичне волокно використовується як носій для передачі світла, і на обох кінцях оптичного волокна, який принцип використовується для перетворення світла в необхідний сигнал?

 

Принцип роботи оптичного волокна

1, матеріал передачі оптичного волокна:

Оптичне волокно, що використовується в інтегрованій системі електропроводки, — це скляний багатомодовий світлодіод з довжиною хвилі 850 нм зі швидкістю передачі 100 Мбіт/с і ефективним діапазоном близько 20 км. Серцевина та оболонка складаються з двох середовищ з різними оптичними властивостями. Середовище всередині має вищий показник заломлення світла, ніж середовище, що його оточує. З фізики відомо, що на межі двох середовищ, коли світло потрапляє з боку високого показника заломлення на бік із високим показником заломлення, доки кут падіння перевищує критичне значення, відбудеться явище відбиття, і енергія не буде втрачена. У цей час покриття навколо зовнішнього шару діє як непрозорий матеріал, запобігаючи виходу світла з поверхні під час процесу взаємопроникнення. Тільки промені світла з малим початковим кутом падіння заломлюються та поглинаються зовнішнім матеріалом на короткій відстані.

Вироблені в даний час оптичні волокна, будь то скляні або пластикові, можуть пропускати все видиме світло та частину інфрачервоного спектру. Волоконно-оптичні кабелі з волокна мають різноманітні конструктивні форми. Існує два основних типи кабелю на короткій відстані, одношаровий структурний кабель знаходиться в центрі сталевого дроту або нейлонового дроту, зовнішній пучок має кілька оптичних волокон, а зовні додається шар пластикової оболонки; Інший — це волоконно-оптичний кабель високої щільності, який має кілька накладених один на одного шарів стрічки, кожен шар стрічки прокладений паралельними рядами оптичних волокон.

Волоконно-оптичні кабелі з волокна мають різноманітні конструктивні форми. Існує два основних типи кабелю для коротких відстаней, одношарова структура. Оптичний кабель знаходиться в центрі сталевого дроту або нейлонового дроту, зовнішній пучок має кілька оптичних волокон, а зовні додається шар пластикової оболонки; Інший — це волоконно-оптичний кабель високої щільності, який має кілька накладених один на одного шарів стрічки, кожен шар стрічки прокладений паралельними рядами оптичних волокон.

2, процес передачі оптичного волокна:

Світловий сигнал, випромінюваний світлодіодним світлодіодом або інжекторним лазерним діодом ILD, поширюється вздовж оптичного середовища, а фотодіод PIN або APD приймає сигнал як детектор на іншому кінці. Модуляція оптичної несучої є маніпуляцією зі зсувом амплітуди, також відомою як модуляція інтенсивності (IntensityModulation). Як правило, два двійкові числа представлені появою та зникненням світла на заданій частоті. Таким чином можна модулювати як світлодіодні, так і інжекційні лазерні діодні ILD-сигнали, при цьому детектори PIN і ILD безпосередньо реагують на модуляцію яскравості.

Посилення потужності - оптичний підсилювач розміщується перед оптичним передавачем для збільшення оптичної потужності вхідного волокна. Оптична сила всієї лінійної системи покращена. Онлайн релейне підсилення – коли група будівель велика або відстань між будівлями велика, це може відігравати роль релейного посилення для покращення оптичної потужності. Попереднє посилення - після фотодетектора на приймальному кінці мікросигнал посилюється для покращення здатності прийому.

3, характеристики передачі оптичного волокна:

Оптичні кабелі нелегко розгалужувати, оскільки вони передають оптичні сигнали, тому їх зазвичай використовують для з’єднань «точка-точка». Експериментальні багатоточкові системи з топологією волоконно-оптичної шини були створені, але все ще занадто дорогі. В принципі, оскільки втрати потужності волокна невеликі, зниження зменшується, існує великий потенціал пропускної здатності, тому загальне волокно може підтримувати кількість відводів набагато більше, ніж вита пара або коаксіальний кабель. Наразі недорогий і надійний передавач — це світлодіодний світлодіод із довжиною хвилі 0.85 мкм, який може підтримувати швидкість передачі 100 Мбіт/с і LAN у діапазоні від 1,5 до 2 км. Передавач лазерного діода дорогий і не може задовольнити вимогу мільйона годин життя.

Піни світлодіодного детектора, що працюють на довжинах хвиль {{0}}.85um, також є недорогими приймачами. Коефіцієнт посилення сигналу лавинного фотодіода більший, ніж у PIN-коду, але йому потрібне джерело живлення від 20 до 50В, тоді як PIN-детектор потребує джерела живлення лише 5В. Для великих відстаней і вищих швидкостей можна використовувати систему з довжиною хвилі 1,3 мкм, яка має невелике затухання, але дорожча, ніж система з довжиною хвилі 0,85 мкм. Крім того, відповідний оптоволоконний роз’єм також дуже важливий, оскільки втрати з’єднання кожного роз’єму повинні бути менше 25 дБ, простий у встановленні та низька ціна. Чим більше серцевина та отвір волокна, тим більше світла воно отримує від світлодіода, тим краще його продуктивність. Волокно з діаметром серцевини 100 мкм і діаметром оболонки 140 мкм може забезпечити досить хорошу продуктивність. Він отримує на 4 дБ більше світлової енергії, ніж волокно 62,5/125 мкм, і на 8,5 дБ більше, ніж волокно 50/125 мкм. Волокно, що працює на 0,8 мкм, має загасання 6 дБ/км, а волокно, що працює на 1,3 мкм, має загасання 4 дБ/км. Оптичне волокно 0,8 мкм має пропускну здатність 150 МГц/км, а оптичне волокно 1,3 мкм має смугу пропускання 500 МГц/км.

В інтегрованій кабельній системі дуже придатним і необхідним є використання оптичного волокна як середовища передачі для основної магістралі.
Наразі технологія оптичного мультиплексування WAVELENGTH DIVISION WDM (Wavelength division MULTI-PLEXING) може бути мультиплексована, надіслана та передана по лінії, як правило, відповідно до байтової восьмибітної паралельної передачі, використовуючи різні довжини хвилі для кожного потоку бітів, тому він повинен підтримувати роботу схеми з низькою швидкістю. Оптоволоконна лінія WDM є новою системою передачі даних, яка підходить для байтового інтерфейсу пристрою.

(l) Лазерний зв'язок

Використання світла для передачі інформації сьогодні дуже поширене. Наприклад, кораблі використовують вогні для спілкування, а світлофори використовують червоний, жовтий і зелений кольори. Але всі ці способи передачі інформації за допомогою звичайного світла можуть обмежуватися лише короткими відстанями. Якщо ви хочете передати інформацію безпосередньо на віддалені місця через світло, ви можете не використовувати звичайне світло, а використовувати тільки лазери.

Отже, як доставити лазер? Ми знаємо, що електрику можна передавати по мідних дротах, але світло не можна передавати по звичайних металевих дротах. З цією метою вчені розробили нитку, яка може пропускати світло, яка називається оптичним волокном, або волокном. Оптичне волокно виготовляється зі спеціального скла, діаметр якого тонший за людську волосину, зазвичай від 50 до 150 мікрон, і дуже м’який.

Насправді внутрішня серцевина волокна являє собою прозоре оптичне скло з високим показником заломлення, а зовнішнє покриття виготовлено зі скла або пластику з низьким показником заломлення. Така структура, з одного боку, може змусити світло заломлюватися вздовж внутрішньої серцевини, як вода, що тече вперед у водопровідній трубі, електрику, що передається вперед у дроті, навіть якщо тисячі поворотів не мають ефекту. З іншого боку, покриття з низьким показником заломлення може запобігти витоку світла, так само як водопровідна труба не просочується, а ізоляційний шар дроту не проводить електрику.

Поява оптичного волокна вирішує шлях передачі світла, але це не означає, що з ним будь-яке світло можна передати дуже далеко. Тільки висока яскравість, чистий колір, хороший спрямований лазер є найбільш ідеальним джерелом світла для передачі інформації, воно вводиться з одного кінця волокна, майже без втрат і виводиться з іншого кінця. Таким чином, оптичний зв’язок — це, по суті, лазерний зв’язок, який має такі переваги, як велика ємність, висока якість, широке джерело матеріалів, сувора конфіденційність, довговічність тощо, і вчені вітають його як революцію в галузі зв’язку та є одним із найяскравіших досягнень технічної революції.

Де просунута лазерна комунікація? Перша перевага лазерного зв'язку - велика ємність. Наскільки велика його місткість? Коли ми зазвичай розмовляємо по телефону, ми розмовляємо незв’язаними голосами, які іноді змішуються. Ця сварка пов’язана з тим, що на телефонній лінії можна здійснити лише один дзвінок, а якщо надходить інший телефон, звичайні дві сторони телефону будуть перешкоджати. Якщо по одній телефонній лінії одночасно розмовляють 10 людей, це дорівнює 20 розмовляючим одночасно, то зв’язку немає взагалі. Щоб вирішити цю проблему, необхідно використовувати несучу та інші методи для створення кожного телефону в кожному діапазоні частот. Оскільки частотний діапазон звичайних телефонів становить 300 ~ 400 герц, а найвища частота на парі телефонних ліній становить лише 1500 кГц, тому на парі телефонних ліній одночасно можна передати лише десяток телефонів. Очевидно, що такі телекомунікаційні можливості далеко не відповідають вимогам сучасного інформаційного суспільства.

Якщо порівняти передачу інформації звичайного телефону з візком, то лазерний зв'язок - це автомобіль. Оскільки частота лазерів набагато вища, ніж радіохвиль, інформаційна ємність лазерного зв’язку в 1 мільярд разів більша, ніж електричного зв’язку. Оптичне волокно, тонше за людську волосину, може передати десятки тисяч телефонних дзвінків або тисячі телевізійних програм. 20 волоконно-оптичних кабелів мають товщину з олівець і можуть обслуговувати 76 200 дзвінків на день. Для порівняння, кабель, що складається з 1800 мідних дротів діаметром близько 7,6 сантиметрів, може здійснювати лише 900 дзвінків на день.

Що особливо дивно, так це те, що волоконно-оптичний зв'язок особливо підходить для передачі телебачення, зображень і цифрового. Повідомляється, що пара оптичних волокон може передати всю Британську енциклопедію за хвилину.

Крім того, матеріалом для виготовлення оптичних волокон є кварц, який зустрічається всюди на Землі, і лише кілька грамів кварцу можуть зробити оптичні волокна довжиною 1 кілометр. Таким чином не тільки сировина є невичерпною, але також можна значно заощадити мідь та алюміній. Через це розвинені країни світу конкурують у вивченні лазерного зв’язку. Тож лазерна комунікація стала фаворитом розвитку.

В історії комунікаційних технологій розвиток волоконно-оптичних комунікаційних технологій є безпрецедентним. Зважаючи на кілька віх в історії комунікаційних технологій, знадобилося близько 60 років, щоб винайти та застосувати телефон, і телефонний зв’язок широко використовується й сьогодні. Радіотехнології, такі як телеграф, також пройшли близько 30 років від винаходу до застосування. Незважаючи на те, що телевізійні технології швидко розвиваються, вони все ще виношуються вже близько 14 років. Лазерний зв'язок, від народження першого оптичного волокна з низькими втратами до застосування, всього лише 5 років. Зараз лазерний зв'язок не тільки широко використовується, але і сформував величезний ринок оптоволокна.

У травні 1977 року в Сполучених Штатах була велика компанія під назвою Telegraph and Telephone Company, яка проклала першу в світі оптико-волоконну лінію зв’язку на короткій відстані між двома телефонними офісами в Чикаго, а потім встановила лінію лазерного зв’язку на короткій відстані. загальною протяжністю сотні кілометрів у майже 100 місцях по всій території США. Це означає, що на коротких відстанях лазерний зв'язок почав замінювати звичайний електричний зв'язок. До 1983 року було введено в експлуатацію 600 кілометрів оптоволоконного зв'язку між Нью-Йорком і Бостоном.

Слідом за Сполученими Штатами йде Японія. У 1984 році Японія завершила будівництво міжміської волоконно-оптичної магістралі зв'язку від Саппоро на Хоккайдо до Фукуоки на Кюсю загальною довжиною 2800 кілометрів, що з'єднує понад 30 міст. У грудні 1993 року волоконно-оптичний кабель через Східно-Китайське море між Китаєм і Японією був успішно прокладений. Також проектується 10{7}}кілометровий підводний кабель через Тихий океан між Японією та Сполученими Штатами.

Завдяки бурхливому розвитку волоконно-оптичних комунікацій Сполучені Штати, Японія, Великобританія, Франція та інші промислово розвинені країни створили підприємства з виробництва оптичних волокон і оптичних кабелів. Три відомі у світі компанії оптичного волокна та кабелю – Western Electric Company США, Corning Company та японська Sumitomo Corporation, виробляють оптичне волокно понад 120,000 кілометрів на рік.

Коротше кажучи, промислово розвинені країни створили національну волоконно-оптичну мережу зв’язку, щоб повністю замінити поточні мідні дроти та кабелі, цей величезний технічний проект, за оцінками, буде завершено до 2000 року. У той час лазерний зв’язок принесе великі переваги. зміни нашої планети. Наприклад, ви можете використовувати волоконно-оптичні мережі для роботи з документами або відвідування наради вдома, не виходячи з дому; Або підключіть домашню оптико-волоконну мережу до торгового центру, як у супермаркеті, сидячи вдома, щоб купити потрібні вам товари, а оплату потрібно лише розрахувати з електронною системою фінансових покупок. Медичні центри в усьому світі також можуть переглядати стан пацієнта та лабораторні висновки з екрана та виписувати рецепт відповідно до них, щоб справді досягти «вчений не виходить, пізнає світ», «виробляє стратегію в наметі, вирішальна перемога за тисячі миль».

Лазери та волоконна оптика також можуть передавати зображення. Спочатку окреме оптичне волокно, діаметр якого менший за людську волосину, об’єднується в пучок волокон. У процесі передачі інформації зазвичай використовуються два типи пучків волокон: один називається променем світла, а інший — променем зображення. Завдання передачі променя полягає в тому, щоб перенести світло від одного кінця до іншого. Структура передачі променя є відносно простою, вона складається з ряду монониток, з’єднаних разом, а потім торцева поверхня полірується та шліфується, щоб зменшити відображення та розсіювання світла у волокно, а потім накладається пластикова оболонка на зовнішній стороні передачі променя.

Оскільки оптичне волокно може передавати лише одну точку, для передачі всього зображення оптичні напрямні волокна мають бути акуратно розташовані одне за одним, щоб пучок оптичних волокон називався променем зображення.

У пучку передачі зображення всі оптичні волокна розташовані акуратно, а положення двох кінців строго відповідають один за одним, що зовсім не хаотично, як у акуратних паличок для їжі. Наприклад, якщо один кінець оптичного волокна знаходиться у восьмому рядку і восьмому стовпці променя передачі зображення, то його інший кінець також знаходиться у восьмому або восьмому положенні.

Під час передачі зображень промінь зображення спочатку ділить зображення на форму сітки, тобто зображення розбивається на незліченну кількість пікселів за допомогою незліченних оптичних волокон, а потім передається. Одне оптичне волокно відповідає за передачу одного пікселя, а незліченна кількість оптичних волокон може передати все зображення на інший кінець. Якщо ви хочете зробити передачу зображення чіткою, необхідно вибрати менший діаметр волокна, тому що чим тонше волокно, тим більше світла може поміститися на певний промінь передачі зображення, так що більше пікселів може бути передано. Очевидно, що чим більше пікселів, тим чіткіше зображення.

Промінь зображення, який використовується сьогодні, складається з десятків тисяч оптичних волокон, і акуратно розташувати таку кількість оптичних волокон непросто. Після упорядкування використовується органічний клей під назвою епоксидна смола для склеювання двох кінців, щоб оптичне волокно було склеєно та зафіксовано, забезпечуючи відповідність оптичних волокон на обох кінцях одне за одним. Обидва кінці також повинні бути згладжені та відполіровані. Що стосується середньої частини, то вона не повинна бути міцно приклеєна, але вільна, як струна ерху, і потрібно лише додати захисну пластикову втулку зовні, щоб пучок передачі зображення був м’яким і міг довільно згинатися.

Крім передачі зображень, промінь зображення може також передавати загальні символи або числа, а також збільшувати або зменшувати зображення.

Щоб збільшити зображення, промінь можна зробити більшим з одного кінця і меншим з іншого, як конус. Коли елемент зображення передається від малого кінця до великого, все зображення збільшується. З іншого боку, якщо зображення надсилається з великого кінця до малого, усе зображення зменшується.

Крім того, оптичне волокно можна використовувати для зміни зображення. Якщо розташування оптичного волокна навмисно порушується відповідно до потреби, піксель на вихідному кінці не може впасти на вихідну відповідну точку, а впасти на точку суб’єктивної концепції, тому зображення змінюється. Якщо оптичне волокно на вхідному кінці елемента зображення зробити квадратним, а оптичне волокно на вихідному кінці зробити круглим, квадратний елемент зображення можна перетворити на круглий елемент зображення.

Коротше кажучи, промінь зображень з оптичного волокна має великий потенціал для розвитку та все більше демонструватиме свою унікальну роль у майбутніх оптичних технологіях обробки інформації.