Знання

Волоконно-оптичні кабелі передають інформацію, надсилаючи світлові сигнали вздовж над-тонких ниток скляного або пластикового волокна, забезпечуючи значно більшу швидкість, пропускну здатність і дальність передачі порівняно з традиційним мідним проводом. Побудовані з трьох ключових шарів - внутрішнього сердечника, навколишньої оболонки та зовнішнього захисного покриття - ці кабелі служать основою сучасних широкосмугових мереж, телекомунікаційної інфраструктури та систем промислового зв’язку. Розумінняяк працюють оптичні волокнаможе значно допомогти у вирішенні деяких складних проблем.

Що таке оптичне волокно

Оптичне волокноце комунікаційний провідник, який використовує світло як носій інформації та скло або пластик як середовище передачі. Основний процес працює таким чином: електричні сигнали перетворюються на світлові імпульси, які передаються на високій швидкості через надзвичайно тонкі скляні нитки, а потім перетворюються назад в електричні сигнали на приймальному кінці. Стандартне комунікаційне волокно має діаметр приблизно 125 мікрометрів -, що приблизно дорівнює діаметру людської волосини. Незважаючи на цей неймовірно тонкий поперечний-розріз, інтер’єр має точну багатошарову-концентричну структуру, де кожен шар виконує окрему функцію.

Важливо розрізняти оптичне волокно та волоконно-оптичний кабель. Аволоконно-оптичний кабельце повний кабельний вузол, який містить одне або кілька оптичних волокон разом із міцними елементами та захисними оболонками, призначеними для передачі даних у вигляді імпульсів світла на великі відстані.

Чотири{0}}шарова фізична структура оптоволоконного кабелю

Щоб зрозумітиз чого складається оптоволоконний кабель, давайте ближче розглянемо його чотири високоточних{0}}рівні зсередини.

Ядро

Ядро, розташоване в самому центрі, має діаметр від 8 до 62,5 мікрометрів і служить фактичним каналом, через який проходять світлові сигнали. Ядро виготовлено з-діоксиду кремнію (SiO₂) високої чистоти, доданого слідами германію (Ge) для підвищення його показника заломлення. Чистота серцевини безпосередньо визначає відстань передачі сигналу та рівні втрат - зв’язок-волокно вимагає чистоти скла 99,99% або вище.

Облицювання

Theоболонка оптоволоконного кабелюоточує серцевину рівномірним діаметром 125 мікрометрів. Він також виготовлений з діоксиду кремнію, але з іншою формулою допування, яка дає йому трохи нижчий показник заломлення, ніж ядро. Ця різниця показників заломлення є фізичною передумовою, яка забезпечує передачу світлового сигналу - без неї світло просто витікало б із волокна.

Покриття (буфер)

Один або два шари акрилату-затвердіння УФпокриттянаносяться на покриття, доводячи загальний діаметр волокна до 250 мікрометрів. Покриття захищає оголене скло від мікрозгинів, подряпин і проникнення вологи. Деградація покриття є однією з основних причин зниження продуктивності волокон після тривалого-користування.

Піджак

Зовнішня захисна структура зазвичай виготовляється з поліетилену (ПЕ) або полівінілхлориду (ПВХ), а в деяких спеціалізованих випадках використовуються матеріали з низьким вмістом диму та нульовим галогеном (LSZH). Кожух також може містити арамідні волокна (кевлар), сталевий дріт або стрижні з армованого скловолокном пластику (FRP) як міцні елементи, щоб протистояти напругам розтягування, стискання та згинання під час встановлення.

Разом ці чотири шари - високої-ядра з кремнезему високої чистоти, оболонки з легованого кремнезему, акрилатного покриття та полімерної оболонки - складають основнуволоконно-оптичні матеріалиможна знайти в кожному комунікаційному-кабелі.

У реальному розгортанні десятки чи тисячі оптичних волокон об’єднуються в оптичний кабель. Оптичний кабель і оптичне волокно — це дві різні концепції: волокно — це середовище передачі; кабель — це повний продукт, що складається з волокон, міцних елементів і захисних оболонок.

Як працюють волоконно-оптичні кабелі

Повне внутрішнє відображення

Основний принципяк волоконно-оптичні кабелі передають даніповне внутрішнє відбивання (TIR). Коли світло переходить із середовища з вищим показником заломлення в середовище з нижчим, а кут падіння перевищує критичний кут, світло відбивається на 100% назад у бік із вищим{2}}індексом, а не проходить через поверхню розділу. Волоконна оптика використовує саме цей принцип: показник заломлення серцевини (приблизно 1,467) вищий, ніж у оболонки (приблизно 1,460), тому світлові сигнали безперервно відбиваються від межі оболонки серцевини-під невеликими кутами нахилу, поширюючись уздовж волокна.

Ключовим параметром тут є числова апертура (ЧА). NA описує максимальний діапазон кутів, у якому волокно може приймати вхідне світло, що визначається різницею показників заломлення між серцевиною та оболонкою. Більший NA забезпечує більший допуск на зчеплення, полегшуючи узгодження з джерелом світла, але також збільшує дисперсію та погіршує якість сигналу. Це один із основних компромісів-у дизайні оптоволокна.

Повний оптичний зв'язок

Щоб зрозумітияк працює волоконно-оптичний кабельу системі-реального світу нам потрібно розглянути три основні етапиволоконно-оптичний зв'язокпосилання.

Передавач:Електричні сигнали спочатку кодуються в цифрову імпульсну послідовність (0 і 1 с), потім джерело світла перетворює їх на оптичні імпульси. Існує два типи джерел світла: лазерні діоди (LD) і світло-діоди (LED). Лазерні діоди пропонують вищу вихідну потужність, вужчу спектральну ширину та вищі швидкості модуляції, що робить їх придатними для -дистанційних і високо-швидкісних сценаріїв. Світлодіоди дешевші,-але мають ширшу спектральну ширину, що підходить для застосування на короткі-відстані.

Волокно (сегмент передачі):Коли оптичні імпульси потрапляють у волокно, вони поширюються вздовж серцевини. Під час передачі-на великі відстані оптичні підсилювачі розміщуються через рівні проміжки, щоб компенсувати загасання сигналу. Сучасне щільне мультиплексування з розділенням довжин хвиль (DWDM) оптоволоконна технологіяможе одночасно передавати від 80 до 160 каналів різних довжин хвиль в одному волокні, кожен з яких передає дані незалежно, що забезпечує пропускну здатність одного-волокна на рівні терабіт-на-секунду.

Приймач:Фотодетектор (зазвичай PIN-фотодіод або лавинний фотодіод, APD) перетворює отримані оптичні імпульси назад в електричні сигнали, які потім відновлюються до вихідних даних за допомогою схем відновлення тактового сигналу та прийняття рішень.

Затухання сигналу

Передача світла через волокно не є процесом без втрат. Ослаблення сигналу є основним обмеженнямволоконно-оптичний зв'язокпроектування системи.

Ослаблення відбувається з трьох основних джерел. По-перше, це поглинання матеріалом - залишкові гідроксильні іони (OH⁻) у склі створюють піки поглинання на певних довжинах хвиль (близько 1383 нм), тому сучасні волокна зв’язку переважно використовують вікна з низькими-втратами 1310 нм і 1550 нм. По-друге, релеївське розсіювання - взаємодія між світлом і мікроскопічними неоднорідностями щільності в склі спричиняє втрати на розсіювання, домінуючий механізм втрат на коротших довжинах хвиль. По-третє, це втрати на вигині - надмірно малі радіуси вигину волокна викликають витік світлових сигналів із серцевини.

Для довідки, поточне основне одномодове-волокно G.652D має типове затухання 0,35 дБ/км на 1310 нм і 0,20 дБ/км на 1550 нм. Це означає, що при 1550 нм потужність сигналу падає до 1% від початкового рівня після проходження 100 км. Як наслідок, магістральні-лінії на великі відстані потребують оптичних підсилювачів кожні 80–100 км для регенерації сигналу.

Типи волоконно-оптичних кабелів:Один-режим проти багато-режиму

Оптичні волокна поділяються на дві основні категорії залежно від кількості режимів передачі. Цівиди волоконно-оптичних кабелівкардинально відрізняються за фізичними параметрами, специфікаціями продуктивності та відповідним застосуванням.

Одномодове-волокно (SMF)

Одномодове-волокно має діаметр серцевини від 8 до 10 мікрометрів і дозволяє поширювати лише одну фундаментальну моду (LP01). Усуваючи інтермодальну дисперсію, одномодове-волокно забезпечує пропускну здатність-відстаней, що значно перевищує показник багато-модового волокна, що робить його стандартним вибором для зв’язку на середніх- і-далеких відстанях.

Типові робочі довжини хвиль становлять 1310 нм і 1550 нм із використанням лазерних діодів із розподіленим зворотним зв’язком (DFB-LD) як джерел світла. Відстань передачі може сягати десятків і сотень кілометрів (можна збільшити до тисяч кілометрів за допомогою оптичних підсилювачів). Кольоровий код зовнішньої оболонки жовтий.

Основні стандартні позначення включають ITU-T G.652 (стандартний одно-режим), G.655 (не-зсув нульової дисперсії) і G.657 (-нечутливий до вигинів, розроблений для розгортання FTTH).

Багато-модове волокно (MMF)

Багато{0}}модове волокно має діаметр серцевини 50 або 62,5 мікрометрів, що дозволяє від сотень до тисячрежими оптичного волокнапоширюватися одночасно. Різні моди переміщуються з різною швидкістю, надходячи до приймача в різний час - явище, яке називається інтермодальною дисперсією -, яке безпосередньо обмежує-відстань передачі та пропускну здатність багатомодового волокна.

Типові робочі довжини хвиль становлять 850 нм і 1300 нм, використовуючи VCSEL (поверхнево-випромінювальні лазери з вертикальною порожниною) або світлодіоди як джерела світла. Відстань передачі зазвичай становить кілька сотень метрів. Для ідентифікації кольору куртки: OM3/OM4 використовує аква, OM5 використовує зелений лайм, а OM1/OM2 використовує оранжевий.

Критерії відбору

Середрізні види оптоволоконного кабелю, вирішальним фактором є відстань передачі. Для відстаней менше 300 метрів -, таких як з’єднання-центрів-даних-і-у-кабелях у будівлях - багато-волокно пропонує економічну перевагу, оскільки його сумісні оптичні модулі значно дешевші, ніж одномодові-еквіваленти. За межі 500 метрів - магістральні мережі кампусу, міські мережі та -магістральні лінії - одномодового-волокна є єдиним життєздатним варіантом. У відповідних оптимальних діапазонах відстаней жоден тип не є універсально кращим; багато{16}}режимне рішення часто забезпечує нижчу загальну вартість володіння.

Як виготовляються волоконно-оптичні кабелі

Волоконно-оптичні кабелі в основному складаються з ультра-кварцевого скла (діоксиду кремнію), яке розтягується на нитки, тонші за людську волосину, для передачі оптичних сигналів. Типовий волоконно-оптичний кабель складається з кількох ключових компонентів: центральної серцевини, яка передає світлові сигнали, навколишнього скляного покриття, яке забезпечує внутрішнє відображення, полімерного захисного покриття, яке захищає волокно від фізичних пошкоджень, і посилюючих елементів міцності, таких як кевлар або сталь, які підвищують механічну міцність кабелю..Виробництво оптичного волокназнаходиться на перетині точного хімічного машинобудування та оптичної науки. Весь процес ділиться на два етапи: виготовлення преформи та витягування волокна.

Виготовлення преформ

Преформа – це-скляний стрижень високої чистоти приблизно від 10 до 20 сантиметрів у діаметрі та приблизно 1 метр завдовжки, із внутрішнім профілем показника заломлення-оболонки. Існує чотири основні методи виготовлення: MCVD (модифіковане хімічне осадження з парової фази), OVD (зовнішнє осадження з парової фази), VAD (осьове осадження з парової фази) і PCVD (плазмохімічне осадження з парової фази).

Розглянемо як приклад процес OVD: високо{0}}тетрахлорид кремнію (SiCl₄) і тетрахлорид германію (GeCl₄) вступають у реакції окислення в полум’ї водню-кисню. Отримані частинки SiO₂ і GeO₂ осідають на обертовому стрижні мішені, створюючи шар за шаром, утворюючи пористе скляне тіло (зване «заготовкою сажі»), яке потім зневоднюється при високій температурі, спікається та згортається в тверду прозору заготовку.

Одна преформа може дати сотні кілометрів волокна. Якість преформи визначає всі оптичні характеристики волокна -, включаючи параметри загасання, дисперсії та довжини хвилі відсічення -, які фіксуються на етапі преформи та не можуть бути виправлені під час процесу витягування.

Малюнок волокна

Заготовку подають у витяжну вежу, вертикальну структуру висотою приблизно від 20 до 30 метрів. Нижній кінець преформи нагрівається приблизно до 2000 градусів, щоб розм’якшити скло, яке потім під дією сили тяжіння та контролю натягу втягується у волокно діаметром 125 мікрометрів. Швидкість малювання може досягати від 1000 до 2500 метрів за хвилину.

Під час процесу витягування волокно проходить через вбудований лазерний вимірювач діаметра для -моніторингу в реальному часі з точністю ±0,1 мікрометра, а потім одразу потрапляє на стадію покриття - два шари акрилату твердіють під УФ-лампами, доводячи діаметр волокна до 250 мікрометрів. Весь процес від розм’якшення до нанесення покриття твердне менш ніж за одну секунду.

Після витягування волокно проходить контрольне випробування, як правило, піддається натягу 0,69 ГПа (приблизно 1% деформації) для усунення ділянок, що містять мікротріщини, гарантуючи, що механічна надійність доставленого волокна відповідає вимогам терміну служби 25 років.

Переваги оптоволоконного кабелю перед мідним

Порівнюючи волокно з міддю,переваги оптичного волокнавідразу стає зрозумілим. У таблиці нижче показано, чому оптоволокно стало кращим середовищем для сучасних мереж.

Волокно та мідь доповнюють один одного, а не конкурують. Поточна основна мережева архітектура дотримується принципу «волокно-до--краю» - магістраль і рівні агрегації використовують оптоволокно, тоді як рівень доступу (останні кілька десятків метрів до кінцевих пристроїв) продовжує використовувати мідь. Очікується, що ця архітектурна модель не зміниться докорінно в найближчі 5-10 років.

Застосування оптичного волокна

Theвикористовує для волоконної оптикиохоплюють майже всі галузі, від телекомунікацій до медицини. Ось основні сфери застосування.

Магістраль телекомунікацій та Інтернету

Глобальний Інтернет працює по волокну. Підводні волоконно-оптичні кабелі та наземні-магістральні кабелі з’єднують континенти. 5Мережі передньої та середньої магістралі базових станцій G також покладаються на оптоволокно, причому кожна базова станція потребує від 6 до 12 волоконних ядер. У цьому масштабівикористання оптоволоконного кабелю в мережахформує саму основу глобального зв’язку.

Центри обробки даних

Центри обробки даних використовують багато-волокно OM3/OM4 для внутрішнього -високошвидкісного з’єднання на короткі{3}}відстані. Між центрами обробки даних використовується одномодове-оптоволокно з технологією когерентного оптичного зв’язку, причому швидкість на-довжину хвилі вже досягає 400G і розгортається 800G.

FTTH (волокно до дому)

FTTH передає оптоволокно безпосередньо до домашніх користувачів, використовуючи технологію PON (пасивна оптична мережа) для розповсюдження оптичних сигналів багатьом кінцевим користувачам, досягаючи широкосмугового доступу гігабітного -класу за низькою ціною.

Промислове та зондування

Волоконно-оптичні датчики використовуються для моніторингу температури та деформації, широко використовуються в нафто- та газопроводах, силових кабелях, системах оповіщення про пожежу в тунелях і широкомасштабному-моніторингу стану конструкцій.

Медичний

Оптоволоконне застосуванняу медицині продовжує розширюватись - ендоскопи, хірургічні лазери та системи візуалізації покладаються на оптичні волокна для освітлення, візуалізації та точної хірургічної підтримки.

Військова та аерокосмічна

Волоконна оптика замінює мідь у військових комунікаціях, шинах даних і аерокосмічних системах, забезпечуючи стійкість до електромагнітних перешкод і прослуховування. Волоконно-оптичні гіроскопи широко використовуються в системах наведення літаків і ракет.