Tudás

Az optikai kábelek fényjeleket küldenek az ultravékony üveg- vagy műanyagszálak mentén, így lényegesen nagyobb sebességet, kapacitást és átviteli tartományt biztosítanak a hagyományos rézvezetékekhez képest. A három kulcsrétegből - egy belső magból, egy környező burkolatból és egy külső védőbevonatból - épültek ezek a kábelek a modern szélessávú hálózatok, a távközlési infrastruktúra és az ipari kommunikációs rendszerek gerincét képezik. Megértéshogyan működnek az optikai szálaknagyban segíthet néhány kihívást jelentő probléma megoldásában.

Mi az az optikai szál

Optikai szálolyan kommunikációs vezető, amely információhordozóként fényt, átviteli közegeként pedig üveget vagy műanyagot használ. Az alapfolyamat a következőképpen működik: az elektromos jeleket fényimpulzusokká alakítják, nagy sebességgel továbbítják őket rendkívül vékony üvegszálakon, majd a vevő oldalon visszaalakítják elektromos jelekké. Egy szabványos kommunikációs szál átmérője körülbelül 125 mikrométer - nagyjából megegyezik egy emberi hajszál átmérőjével. A hihetetlenül vékony keresztmetszet ellenére a belső tér precíziós több-rétegű koncentrikus szerkezettel rendelkezik, és mindegyik réteg független funkciót lát el.

Fontos különbséget tenni az optikai szál és az optikai kábel között. Aoptikai kábelegy komplett kábelszerelvény, amely egy vagy több optikai szálat tartalmaz, valamint szilárdsági elemeket és védőburkolatokat, amelyeket arra terveztek, hogy fényimpulzusok formájában továbbítsanak adatokat nagy távolságokon.

A száloptikai kábel négy-rétegű fizikai felépítése

Megértenimiből van egy optikai kábel, nézzük meg közelebbről a négy precíziós{0}}rétegét belülről kifelé.

Mag

A középen elhelyezkedő mag átmérője 8 és 62,5 mikrométer között van, és tényleges csatornaként szolgál, amelyen keresztül a fényjelek haladnak. A mag nagy -tisztaságú szilícium-dioxidból (SiO₂) készül, amelyet nyomokban germániummal (Ge) adalékolnak, hogy növeljék a törésmutatóját. A mag tisztasága közvetlenül meghatározza a jelátviteli távolságot és a veszteségszinteket. - A kommunikációs-minőségű szál 99,99%-os vagy magasabb tisztaságú üveget igényel.

Burkolat

Aoptikai kábel burkolata magot egyenletesen 125 mikrométer átmérővel veszi körül. Szintén szilícium-dioxidból készül, de más adalékolási formulával, ami valamivel alacsonyabb törésmutatót ad neki, mint a magnak. Ez a törésmutató-különbség az a fizikai előfeltétele, amely lehetővé teszi a fényjelátvitelt - anélkül, hogy a fény egyszerűen kiszivárogna a szálból.

Bevonat (puffer)

Egy vagy két réteg UV{0}}keményített akrilátbevonat250 mikrométerre növelve a szál teljes átmérőjét. A bevonat megvédi a csupasz üveget a mikrohajlítástól, a karcolástól és a nedvesség behatolásától. A bevonat leromlása az egyik elsődleges oka annak, hogy a szálak teljesítménye csökken a hosszú távú-használat után.

Kabát

A legkülső védőszerkezet jellemzően polietilénből (PE) vagy polivinil-kloridból (PVC) készül, néhány speciális alkalmazással alacsony füstmentes halogén (LSZH) anyagok felhasználásával. A köpeny szilárdsági elemként aramidszálakat (Kevlár), acélhuzalt vagy üvegszállal megerősített műanyag (FRP) rudakat is tartalmazhat, hogy ellenálljon a húzó-, nyomó- és hajlítási igénybevételnek a telepítés során.

Ez a négy réteg - nagy-tisztaságú szilícium-dioxid mag, adalékolt szilícium-dioxid burkolat, akrilát bevonat és polimer köpeny - alkotja az alapvetőoptikai szálas anyagokminden kommunikációs{0}}minőségű kábelben megtalálható.

A tényleges telepítések során több tucat-ezer optikai szálat kötnek össze egy optikai kábelben. Az optikai kábel és az optikai szál két különböző fogalom: a szál az átviteli közeg; A kábel egy komplett termék, amely szálakat, szilárdsági elemeket és védőköpenyeket tartalmaz.

Hogyan működnek az optikai kábelek

Teljes belső reflexió

Az alapelv mögötthogyan továbbítanak adatokat az optikai kábeleka teljes belső tükrözés (TIR). Amikor a fény egy nagyobb törésmutatójú közegből egy alacsonyabb törésmutatójú közegbe jut, és a beesési szög meghaladja a kritikus szöget, a fény 100%-ban visszaverődik a magasabb-indexű oldalra, ahelyett, hogy áthaladna a határfelületen. A száloptika pontosan ezt az elvet használja ki: a mag törésmutatója (körülbelül 1,467) magasabb, mint a burkolaté (körülbelül 1,460), így a fényjelek folyamatosan visszaverődnek a mag-burkolat interfészéről sekély szögben, és a szál mentén terjednek.

A kulcsparaméter itt a numerikus rekesz (NA). Az NA azt a maximális szögtartományt írja le, amelyen belül a szál képes befogadni a bejövő fényt, amelyet a mag és a burkolat közötti törésmutató különbség határozza meg. A nagyobb NA nagyobb csatolási tűrést biztosít, megkönnyítve a fényforráshoz való igazítást, de növeli a szórást és rontja a jel minőségét. Ez az egyik alapvető kompromisszum-a szálas tervezésben.

A teljes optikai kommunikációs kapcsolat

Megértenihogyan működik az optikai kábelegy valós világban-meg kell vizsgálnunk a három fő szakasztoptikai szálas kommunikációlink.

Adó:Az elektromos jeleket először digitális impulzussorozatba (0s és 1s) kódolják, majd egy fényforrás optikai impulzusokká alakítja át. Kétféle fényforrás létezik: lézerdiódák (LD) és fény{3}}kibocsátó diódák (LED). A lézerdiódák nagyobb kimeneti teljesítményt, szűkebb spektrális szélességet és gyorsabb modulációs rátát kínálnak, így alkalmasak nagy-távolságú, nagy{6}}sebességű forgatókönyvekre. A LED-ek olcsóbbak-, de szélesebb a spektrumszélességük, és alkalmasak a kis-távolságú alkalmazásokhoz.

Szálszál (átviteli szegmens):Amint az optikai impulzusok belépnek a szálba, a mag mentén terjednek. A nagy távolságú{1}}átvitel során rendszeres időközönként optikai erősítőket helyeznek el a jelgyengülés kompenzálására. Modern sűrű hullámhosszosztásos multiplexelés (DWDM) optikai szálas technológiaegyidejűleg 80-160 különböző hullámhosszúságú csatornát képes szállítani egyetlen szálon belül, amelyek egymástól függetlenül hordoznak adatokat, lehetővé téve az egyetlen-szál kapacitását terabit-per-másodperc szinten.

Vevő:A fotodetektor (általában PIN-fényképdióda vagy lavina fotodióda, APD) a kapott optikai impulzusokat elektromos jelekké alakítja vissza, amelyeket aztán az óra-helyreállítási és döntési áramkörökön keresztül visszaállítanak az eredeti adatokká.

Jelcsillapítás

A szálon keresztüli fényáteresztés nem veszteségmentes folyamat. A jelcsillapítás az alapvető korlátszáloptikai kommunikációrendszertervezés.

A csillapítás három fő forrásból származik. Az első az anyagabszorpció - maradék hidroxil ionok (OH⁻) az üvegben meghatározott hullámhosszon (körülbelül 1383 nm) abszorpciós csúcsokat hoznak létre, ezért a modern kommunikációs szálak elsősorban az 1310 nm-es és az 1550 nm-es kis{5}}veszteségű ablakokat használják. A második a Rayleigh-szórási - kölcsönhatások a fény és a mikroszkopikus sűrűség egyenetlenségei között az üvegben szórási veszteségeket okoznak, ami a domináns veszteségi mechanizmus rövidebb hullámhosszokon. A harmadik a hajlítási veszteség -, mert a túl kicsi szálhajlítási sugarak fényjeleket szivárognak ki a magból.

Referenciaként a jelenlegi főáramú G.652D egymódusú szál tipikus csillapítása 0,35 dB/km 1310 nm-en és 0,20 dB/km 1550 nm-en. Ez azt jelenti, hogy 1550 nm-en a jelteljesítmény 100 km megtétele után az eredeti szint 1%-ára csökken. Ennek eredményeként a nagy{11}}távú fővonalakon 80–100 km-enként optikai erősítőre van szükség a jel regenerálásához.

Száloptikai kábelek típusai:Egy-mód és több-mód

Az optikai szálakat az átviteli módok száma alapján két fő kategóriába sorolják. Ezekoptikai kábel típusaialapvetően különböznek a fizikai paraméterekben, a teljesítményspecifikációkban és a megfelelő alkalmazásokban.

Egy{0}}módusú optikai szál (SMF)

Az egymódusú{0}}szál magátmérője 8-10 mikrométer, és csak egy alapmódus (LP01) terjedését teszi lehetővé. Az intermodális diszperzió kiküszöbölésével az egy{5}}módusú szál olyan sávszélességű-távolságú terméket ér el, amely messze meghaladja a több-módusú optikai szálakét, így ez a szabványos választás a közepes- és a hosszú{9}}távolságú kommunikációhoz.

A tipikus működési hullámhosszok 1310 nm és 1550 nm, fényforrásként elosztott visszacsatoló lézerdiódákat (DFB-}LD) használva. Az átviteli távolság több tíz-száz kilométert is elérhet (optikai erősítők segítségével több ezer kilométerre bővíthető). A külső kabát színkódja sárga.

A főbb szabványos megnevezések közé tartozik az ITU{0}}T G.652 (szabványos egy-mód), a G.655 (nem-nulla diszperzió eltolt) és a G.657 (hajl-érzéketlen, FTTH telepítésre tervezték).

Több-módusú szál (MMF)

A több-módusú szál magátmérője 50 vagy 62,5 mikrométer, így több száz és több ezeroptikai szál módokegyidejűleg szaporítani. A különböző módok eltérő sebességgel haladnak, és különböző időpontokban érkeznek a vevőhöz - intermodális diszperziónak nevezett jelenség -, amely közvetlenül korlátozza a több-módusú szál átviteli távolságát és sávszélességét.

A tipikus működési hullámhossz 850 nm és 1300 nm, fényforrásként VCSEL-eket (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) vagy LED-eket használnak. Az átviteli távolságok jellemzően néhány száz méteren belül vannak. A kabát színének azonosításához: az OM3/OM4 aqua, az OM5 a lime zöld, az OM1/OM2 pedig a narancssárga színt használja.

Kiválasztási kritériumok

Között akülönböző típusú szálkábelek, a döntő tényező az átviteli távolság. 300 méter alatti - távolságok esetén, mint például az intra-adatközpontok-összeköttetése és az épületben lévő kábelezés {-többmódusú optikai szála költségelőnyt kínál, mivel a kompatibilis optikai modulok lényegesen olcsóbbak, mint az egymódusú megfelelői-. 500 méteren túl - az egyetemi gerinchálózat, a nagyvárosi hálózatok és a hosszú{12}}távú fővonalak - az egymódusú optikai szál az egyetlen életképes megoldás. A megfelelő optimális távolságtartományon belül egyik típus sem univerzálisan jobb; a több-módú megoldás gyakran alacsonyabb teljes birtoklási költséget biztosít.

Hogyan készülnek az optikai kábelek

Az optikai kábelek elsősorban ultra-tiszta szilícium-dioxid-üvegből (szilícium-dioxidból) állnak, amelyet az emberi hajszálnál vékonyabb szálakba húznak az optikai jelek továbbítására. Egy tipikus optikai kábel több kulcselemből áll: a fényjeleket hordozó központi magból, a belső visszaverődést lehetővé tevő üvegburkolatból, egy polimer védőbevonatból, amely megvédi a szálat a fizikai sérülésektől, és erősítő elemekből, például kevlárból vagy acélból, amelyek növelik a kábel mechanikai tartósságát..Optikai szál gyártása precíziós vegyészmérnökség és az optikai tudomány metszéspontjában ül. A teljes folyamat két szakaszra oszlik: előforma gyártásra és szálhúzásra.

Előforma gyártás

Az előforma egy nagy-tisztaságú üvegrúd, körülbelül 10-20 cm átmérőjű és körülbelül 1 méter hosszú, és a mag-burkolat törésmutató-profilja már belsőleg kialakított. Négy fő gyártási módszer létezik: MCVD (módosított kémiai gőzleválasztás), OVD (külső gőzleválasztás), VAD (gőztengelyű leválasztás) és PCVD (plazmakémiai gőzleválasztás).

Az OVD-eljárás példájaként: a nagy-tisztaságú szilícium-tetraklorid (SiCl4) és germánium-tetraklorid (GeCl4) gázok oxidációs reakciókon mennek keresztül hidrogén--oxigénlángban. A keletkező SiO₂ és GeO₂ részecskék egy forgó célrúdra rakódnak le, rétegről rétegre épülve porózus üvegtestet képezve (úgynevezett "korom előformát"), amelyet magas hőmérsékleten víztelenítenek, szintereznek, és szilárd, átlátszó előformává omlik össze.

Egyetlen előforma több száz kilométernyi szálat eredményezhet. Az előforma minősége meghatározza a szál összes optikai teljesítményjellemzőjét -, beleértve a csillapítási, diszperziós és vágási hullámhossz - paramétereket is, amelyek az előforma szakaszában vannak rögzítve, és nem javíthatók a rajzolási folyamat során.

Fiber rajz

Az előformát egy vonótoronyba vezetik, amely egy körülbelül 20-30 méter magas függőleges szerkezet. Az előforma alsó végét körülbelül 2000 fokra hevítik, hogy meglágyítsák az üveget, amelyet azután gravitáció és feszültségszabályozás alatt 125 mikrométer átmérőjű szálká húznak. A rajz sebessége elérheti az 1000-2500 métert percenként.

A húzási folyamat során a szál egy beépített lézerátmérőn halad át a valós idejű -figyelés érdekében ±0,1 mikrométeres pontossággal, majd azonnal belép a bevonási szakaszba - két réteg akrilátot UV lámpák alatt kikeményítenek, így a szál átmérője 250 mikrométerre emelkedik. A teljes folyamat a lágyítástól a bevonatolásig kevesebb, mint egy másodperc alatt kikeményedik.

A húzás után a szálon próbát végeznek, jellemzően 0,69 GPa (körülbelül 1%-os feszültség) feszültségnek vetik alá, hogy kiküszöböljék a mikrorepedéseket tartalmazó szakaszokat, biztosítva, hogy a szállított szál mechanikai megbízhatósága megfeleljen a 25 éves élettartam követelményének.

Száloptikai kábel Előnyök a rézzel szemben

A rost és a réz összehasonlításakor aaz optikai szál előnyeiazonnal világossá válik. Az alábbi táblázat rávilágít arra, hogy miért vált az üvegszál a modern hálózatok kedvelt médiumává.

A rost és a réz kiegészítik egymást, nem versengenek egymással. A jelenlegi mainstream hálózati architektúra a „fiber-to-to-edge” elvet követi, a gerinchálózat és az aggregációs rétegek üvegszálat használnak, míg a hozzáférési réteg (az utolsó néhány tíz méter a végberendezésekig) továbbra is rezet használ. Ez az építészeti minta várhatóan nem fog alapvetően megváltozni a következő 5-10 évben.

Optikai szálas alkalmazások

Aszáloptikához való felhasználásszinte minden iparágra kiterjed, a távközléstől az orvostudományig. Itt vannak a legfontosabb alkalmazási területek.

Távközlési és Internet gerinchálózat

A globális internet üvegszálon működik. A tenger alatti száloptikai kábelek és a földi hosszú-távú trönkkábelek kötik össze a kontinenseket. 5A G bázisállomások fronthaul és középtávú hálózatai szintén üvegszálon támaszkodnak, és minden bázisállomáshoz 6-12 szálmag szükséges. Ebben a léptékben aoptikai kábel használata a hálózatépítésbena globális összeköttetés gerincét képezi.

Adatközpontok

Az adatközpontok OM3/OM4 több-módusú optikai szálat használnak a kis-távolságú, nagy-sebességű belső összeköttetésekhez. Az adatközpontok között egy-módusú szálat használnak koherens optikai kommunikációs technológiával, és a hullámhosszonkénti sebességek már elérik a 400 Gt és a 800 G-t.

FTTH (Fiber to the Home)

Az FTTH közvetlenül a lakossági felhasználókhoz juttatja el az üvegszálas technológiát, a PON (Passive Optical Network) technológiát használva az optikai jelek több végfelhasználóhoz történő elosztására, és alacsony költségű gigabites{0}}kategóriájú szélessávú hozzáférést biztosít.

Ipari és Érzékelés

A száloptikás érzékelőket hőmérséklet- és feszültségfigyelésre használják, széles körben alkalmazzák olaj- és gázvezetékekben, tápkábelekben, alagúttűzjelző rendszerekben és nagy{0}}szerkezeti állapotfigyelésben.

Orvosi

Száloptikai alkalmazásaz orvostudományban továbbra is terjeszkedik - az endoszkópok, a sebészeti lézerek és a képalkotó rendszerek optikai szálakon alapulnak a megvilágításhoz, a képalkotáshoz és a precíziós sebészeti támogatáshoz.

Katonai és repülési

A száloptika helyettesíti a rezet a katonai kommunikációban, az adatbuszokban és az űrrepülési rendszerekben, így EMI immunitást és lehallgatási ellenállást kínál. A száloptikai giroszkópokat széles körben használják repülőgépekben és rakétairányító rendszerekben.