Cunoştinţe

Cablurile de fibră optică transportă informații prin trimiterea de semnale luminoase de-a lungul firelor ultra-subțiri de fibră de sticlă sau plastic, oferind viteză, capacitate și gamă de transmisie semnificativ mai mari în comparație cu cablurile tradiționale din cupru. Construite din trei straturi cheie - un miez interior, o placare înconjurătoare și o acoperire de protecție exterioară - aceste cabluri servesc ca coloană vertebrală a rețelelor moderne de bandă largă, a infrastructurii de telecomunicații și a sistemelor de comunicații industriale. Înţelegerecum funcționează fibrele opticepoate ajuta foarte mult la rezolvarea unor probleme dificile.

Ce este fibra optică

Fibră opticăeste un conductor de comunicare care folosește lumina ca purtător de informații și sticla sau plasticul ca mediu de transmisie. Procesul de bază funcționează după cum urmează: semnalele electrice sunt convertite în impulsuri de lumină, transmise cu viteză mare prin fire de sticlă extrem de subțiri și apoi convertite înapoi în semnale electrice la capătul de recepție. O fibră de comunicație standard are un diametru de aproximativ 125 de micrometri - aproximativ la fel ca un păr uman. În ciuda acestei secțiuni transversale incredibil de subțire-, interiorul prezintă o structură concentrică cu mai multe-straturi, fiecare strat având o funcție independentă.

Este important să se facă distincția între fibră optică și cablu de fibră optică. Ocablu fibră opticăeste un ansamblu de cablu complet care găzduiește una sau mai multe fibre optice împreună cu elemente de rezistență și mantale de protecție, concepute pentru a transmite date ca impulsuri de lumină pe distanțe lungi.

Structura fizică cu patru-straturi a cablului de fibră optică

A intelegedin ce este facut un cablu de fibra optica, să aruncăm o privire mai atentă asupra celor patru straturi-concepute de precizie din interior spre exterior.

Miez

Situat chiar în centru, miezul are un diametru cuprins între 8 și 62,5 micrometri și servește drept canal real prin care circulă semnalele luminoase. Miezul este fabricat din dioxid de siliciu (SiO₂) de puritate înaltă-dopată cu urme de germaniu (Ge) pentru a-și crește indicele de refracție. Puritatea miezului determină în mod direct distanța de transmisie a semnalului și nivelul de pierdere.

Placarea

Theplacare cablu fibră opticăînconjoară miezul cu un diametru uniform de 125 micrometri. De asemenea, este fabricat din dioxid de siliciu, dar cu o formulă diferită de dopaj, care îi conferă un indice de refracție puțin mai mic decât miezul. Această diferență de indice de refracție este condiția prealabilă fizică care permite transmiterea semnalului luminos - fără ea, lumina s-ar scurge pur și simplu din fibră.

Acoperire (tampon)

Unul sau două straturi de acrilat întărit UV-acoperirese aplică peste placare, aducând diametrul total al fibrei la 250 micrometri. Acoperirea protejează sticla goală de microîndoire, zgârieturi și pătrunderea umezelii. Degradarea stratului de acoperire este una dintre cauzele principale ale scăderii performanței fibrelor după utilizare pe termen lung-.

Sacou

Structura de protecție cea mai exterioară este de obicei realizată din polietilenă (PE) sau clorură de polivinil (PVC), cu unele aplicații specializate folosind materiale cu emisie redusă de halogen (LSZH). Mantaua poate conține, de asemenea, fibre de aramidă (Kevlar), sârmă de oțel sau tije din plastic armat cu fibră de sticlă (FRP) ca elemente de rezistență pentru a rezista solicitărilor de tracțiune, compresiune și încovoiere în timpul instalării.

Împreună, aceste patru straturi - miez de silice de înaltă-puritate, placarea cu silice dopată, acoperirea cu acrilat și mantaua de polimer - constituie esențialulmateriale din fibre opticegăsit în fiecare cablu-de comunicare.

În implementările reale, zeci până la mii de fibre optice sunt grupate într-un cablu optic. Cablul optic și fibra optică sunt două concepte diferite: fibra este mediul de transmisie; cablul este produsul complet care cuprinde fibre, elemente de rezistență și mantale de protecție.

Cum funcționează cablurile de fibră optică

Reflecție internă totală

Principiul fundamental din spatelemodul în care cablurile de fibră optică transmit dateleeste Reflecția Internă Totală (TIR). Când lumina călătorește dintr-un mediu cu un indice de refracție mai mare într-unul cu un indice de refracție mai mic, iar unghiul de incidență depășește unghiul critic, lumina este reflectată 100% înapoi în partea superioară-indicelui, în loc să treacă prin interfață. Fibra optică exploatează exact acest principiu: indicele de refracție al miezului (aproximativ 1,467) este mai mare decât cel al placajului (aproximativ 1,460), astfel încât semnalele luminoase revin în mod continuu pe interfața miezului-la unghiuri de zgâiere, propagăndu-se de-a lungul fibrei.

Un parametru cheie aici este deschiderea numerică (NA). NA descrie intervalul de unghi maxim în care fibra poate accepta lumina care vine, determinată de diferența de indice de refracție dintre miez și placare. Un NA mai mare oferă o toleranță de cuplare mai mare, facilitând alinierea cu o sursă de lumină, dar crește și dispersia și degradează calitatea semnalului. Acesta este unul dintre avantajele de bază-în proiectarea fibrelor.

Legătura de comunicare optică completă

A intelegecum funcționează cablul de fibră opticăîntr-un sistem-lumea reală, trebuie să ne uităm la cele trei etape de bază ale unuicomunicare prin fibră opticălegătură.

Transmiţător:Semnalele electrice sunt mai întâi codificate într-o secvență de impulsuri digitale (0s și 1s), apoi o sursă de lumină le convertește în impulsuri optice. Există două tipuri de surse de lumină: diode laser (LD) și diode-emițătoare de lumină (LED). Diodele laser oferă o putere de ieșire mai mare, lățime spectrală mai îngustă și rate de modulare mai rapide, făcându-le potrivite pentru scenarii de-distanță lungă,-înaltă viteză. LED-urile au un cost-mai mic, dar au o lățime spectrală mai mare, potrivite pentru aplicații pe distanțe scurte-.

Fibră (segment de transmisie):Odată ce impulsurile optice intră în fibră, ele se propagă de-a lungul miezului. În transmisiile pe distanțe lungi, amplificatoarele optice sunt plasate la intervale regulate pentru a compensa atenuarea semnalului. Multiplexare modernă cu diviziune densă a lungimii de undă (DWDM) tehnologia fibrei opticepoate transporta simultan de la 80 la 160 de canale de lungimi de undă diferite într-o singură fibră, fiecare transportând date în mod independent, permițând o capacitate de o singură-fibră la nivel de terabiți-pe-secundă.

Receptor:Un fotodetector (de obicei o fotodiodă PIN sau o fotodiodă de avalanșă, APD) convertește impulsurile optice primite înapoi în semnale electrice, care sunt apoi restaurate la datele originale prin recuperarea ceasului și circuitele de decizie.

Atenuarea semnalului

Transmiterea luminii prin fibră nu este un proces fără pierderi. Atenuarea semnalului este constrângerea de bază încomunicații prin fibră opticăproiectarea sistemului.

Atenuarea provine din trei surse principale. Primul este absorbția materialului - ionii hidroxil reziduali (OH⁻) în sticlă creează vârfuri de absorbție la lungimi de undă specifice (aproximativ 1383 nm), motiv pentru care fibrele moderne de comunicație folosesc în principal ferestrele cu pierderi reduse de 1310 nm și 1550 nm. Al doilea este împrăștierea Rayleigh - interacțiunile dintre lumină și neregularitățile de densitate microscopică din sticlă provoacă pierderi de împrăștiere, mecanismul de pierdere dominant la lungimi de undă mai scurte. Al treilea este pierderea prin curbură - razele de curbură excesiv de mici ale fibrei provoacă scurgeri de semnale luminoase din miez.

Pentru referință, fibra curentă G.652D cu un singur-mod are o atenuare tipică de 0,35 dB/km la 1310 nm și 0,20 dB/km la 1550 nm. Aceasta înseamnă că la 1550 nm, puterea semnalului scade la 1% din nivelul său inițial după ce a parcurs 100 km. Drept urmare, liniile trunchi-pe distanțe lungi necesită amplificatoare optice la fiecare 80 până la 100 km pentru regenerarea semnalului.

Tipuri de cabluri cu fibră optică:Modul unic-modul multi-

Fibrele optice sunt clasificate în două mari categorii în funcție de numărul de moduri de transmisie. Acestetipuri de cablu de fibră opticădiferă fundamental în parametrii fizici, specificațiile de performanță și aplicațiile adecvate.

Fibră unic{0}mod (SMF)

Fibra cu un singur{0}mod are un diametru al miezului de 8 până la 10 micrometri și permite propagarea unui singur mod fundamental (LP01). Prin eliminarea dispersiei intermodale, fibra mono-mode realizează un produs la distanță-de lățime de bandă care îl depășește cu mult pe cel al fibrei cu mai multe-moduri, ceea ce o face alegerea standard pentru comunicarea la distanță medie{- și lungă-.

Lungimile de undă tipice de operare sunt 1310 nm și 1550 nm, folosind diode laser cu feedback distribuit (DFB-LD) ca surse de lumină. Distanța de transmisie poate ajunge la zeci până la sute de kilometri (extensibil la mii de kilometri cu amplificatoare optice). Codul culorii jachetei exterioare este galben.

Denumirile standard standard includ ITU-T G.652 (mod unic-standard), G.655 (deplasare fără-zero dispersie) și G.657 (insensibil-la curbare, conceput pentru implementarea FTTH).

Fibră multi-mode (MMF)

Fibra multi-modalitate are un diametru al miezului de 50 sau 62,5 micrometri, permițând sute până la mii demoduri ale fibrei opticesă se propagă în același timp. Diferite moduri călătoresc cu viteze diferite, ajungând la receptor în momente diferite - un fenomen numit dispersie intermodală - care limitează direct distanța de transmisie și lățimea de bandă a fibrelor multi-modale.

Lungimile de undă tipice de operare sunt 850 nm și 1300 nm, folosind VCSEL-uri (lasere cu emisie de suprafață cu cavitate verticală) sau LED-uri ca surse de lumină. Distanțele de transmisie sunt de obicei la câteva sute de metri. Pentru identificarea culorii jachetei: OM3/OM4 folosește aqua, OM5 folosește verde lime, iar OM1/OM2 folosește portocaliu.

Criterii de selecție

Printrediferite tipuri de cablu de fibră, factorul decisiv este distanța de transmisie. Pentru distanțe mai mici de 300 de metri, -, cum ar fi interconexiunile intra-de date-centre și-cablarea în clădire - fibra multimod {{-oferă un avantaj de cost, deoarece modulele sale optice compatibile sunt semnificativ mai puțin costisitoare decât echivalentele mono-mod. Dincolo de 500 de metri - coloana vertebrală a campusului, rețelele metropolitane și liniile trunchi-pe distanțe lungi - fibra monomod-singura opțiune viabilă. În intervalele lor optime de distanță, niciunul dintre tipuri nu este universal superior; o soluție cu mai multe-moduri oferă adesea un cost total de proprietate mai mic.

Cum sunt fabricate cablurile de fibră optică

Cablurile de fibră optică sunt compuse în principal din sticlă de siliciu ultra-pură (dioxid de siliciu), care este trasă în filamente mai subțiri decât părul uman pentru transmiterea semnalelor optice. Un cablu tipic de fibră optică constă din mai multe componente cheie: un miez central care transportă semnalele luminoase, o placare din sticlă înconjurătoare care permite reflectarea internă, o acoperire de protecție polimerică care protejează fibra de deteriorarea fizică și elemente de întărire, cum ar fi Kevlar sau oțel, care sporesc durabilitatea mecanică a cablului..Producerea fibrei opticese află la intersecția dintre ingineria chimică de precizie și știința optică. Întregul proces este împărțit în două etape: fabricarea preformelor și trefilarea fibrelor.

Fabricarea preformelor

O preformă este o tijă de sticlă de-puritate ridicată, cu un diametru de aproximativ 10 până la 20 de centimetri și o lungime de aproximativ 1 metru, cu profilul indicelui de refracție a placajului miezului-ja stabilit intern. Există patru metode principale de fabricare: MCVD (Depunerea de vapori chimici modificați), OVD (depunerea în vapori în exterior), VAD (depunerea axială de vapori) și PCVD (depunerea de vapori chimici cu plasmă).

Luând ca exemplu procesul OVD: gazele de tetraclorură de siliciu (SiCl₄) și tetraclorura de germaniu (GeCl₄) de puritate ridicată-sunt supuse reacțiilor de oxidare într-o flacără de hidrogen-oxigen. Particulele de SiO₂ și GeO₂ rezultate se depun pe o tijă țintă rotativă, formând strat cu strat pentru a forma un corp de sticlă poros (numit „preformă de funingine”), care este apoi deshidratat la temperatură ridicată, sinterizat și prăbușit într-o preformă solidă, transparentă.

O singură preformă poate produce sute de kilometri de fibre. Calitatea preformei determină toate caracteristicile de performanță optică ale fibrei -, inclusiv parametrii de atenuare, dispersie și lungime de undă de tăiere - care sunt blocați în etapa de preforme și nu pot fi corectați în timpul procesului de desen.

Desenul de fibre

Preforma este introdusă într-un turn de tragere, o structură verticală de aproximativ 20 până la 30 de metri înălțime. Capătul inferior al preformei este încălzit la aproximativ 2.000 de grade pentru a înmuia sticla, care este apoi trasă sub control gravitațional și tensionat într-o fibră cu un diametru de 125 micrometri. Viteza de desenare poate ajunge la 1.000 până la 2.500 de metri pe minut.

În timpul procesului de desenare, fibra trece printr-un indicator al diametrului laser în linie pentru monitorizare în timp real-cu o precizie de ±0,1 micrometri, apoi intră imediat în etapa de acoperire - două straturi de acrilat sunt întărite sub lămpi UV, aducând diametrul fibrei la 250 micrometri. Întregul proces, de la înmuiere până la acoperire, se întărește în mai puțin de o secundă.

După întindere, fibra este supusă testării de testare, de obicei supusă unei tensiuni de 0,69 GPa (aproximativ 1%) pentru a elimina secțiunile care conțin microfisuri, asigurându-se că fiabilitatea mecanică a fibrei livrate îndeplinește cerințele de viață de serviciu de 25 de ani.

Avantajele cablului cu fibră optică față de cupru

Când comparăm fibra cu cuprul,Avantajele fibrei opticedeveni imediat clar. Tabelul de mai jos evidențiază de ce fibra a devenit mediul preferat pentru rețelele moderne.

Fibra și cuprul sunt complementare, nu competitive. Arhitectura actuală de rețea principală urmează principiul „fibră-la--edge” - și straturile de agregare folosesc fibră, în timp ce stratul de acces (ultimele câteva zeci de metri până la dispozitive finale) continuă să folosească cuprul. Acest model arhitectural nu este de așteptat să se schimbe fundamental în următorii 5 până la 10 ani.

Aplicații ale fibrei optice

Theutilizări pentru fibra opticăacoperă aproape orice industrie, de la telecomunicații la medicină. Iată principalele domenii de aplicare.

Telecom și Internet Backbone

Internetul global rulează pe fibră. Cablurile submarine de fibră optică și cablurile trunchi-terestre pe distanță lungă conectează continente. 5Rețelele fronthaul și midhaul stației de bază G se bazează, de asemenea, pe fibră, fiecare stație de bază necesitând 6 până la 12 nuclee de fibră. La această scară,utilizarea cablului de fibră optică în rețeleformează însăși coloana vertebrală a conectivității globale.

Centre de date

Centrele de date folosesc fibră multi-mode OM3/OM4 pentru interconexiuni interne de mare-la distanță scurtă-de mare viteză. Între centre de date, este utilizată fibră mono-modalitate cu tehnologie de comunicare optică coerentă, cu viteze pe-lungime de undă atingând deja 400G și 800G implementări în curs.

FTTH (Fiber to the Home)

FTTH aduce fibra direct utilizatorilor rezidențiali, folosind tehnologia PON (Passive Optical Network) pentru a distribui semnale optice către mai mulți utilizatori finali, obținând acces la bandă largă de clasă gigabit-la costuri reduse.

Industrial și Sensing

Senzorii cu fibră optică sunt utilizați pentru monitorizarea temperaturii și a tensiunii, desfășurați pe scară largă în conductele de petrol și gaze, cabluri de alimentare, sisteme de avertizare la incendiu în tunel și monitorizarea-sanării structurale la scară largă.

Medical

Aplicație de fibră opticăîn medicină continuă să se extindă - endoscoapele, laserele chirurgicale și sistemele de imagistică se bazează toate pe fibre optice pentru iluminare, imagistică și suport chirurgical de precizie.

Militară și Aerospațială

Fibra optică înlocuiește cuprul în comunicațiile militare, magistralele de date și sistemele aerospațiale, oferind imunitate EMI și rezistență la interceptări. Giroscoapele cu fibră optică sunt utilizate pe scară largă în sistemele de ghidare a aeronavelor și rachetelor.