Vad är principen för optisk fiber? Hur kan ljus omvandlas till andra former av signaler?

Den optiska fibern används som bärare för att överföra ljus, och i båda ändarna av den optiska fibern, vilken princip används för att omvandla ljuset till den signal som krävs?

 

Principen för optisk fiber

1, optisk fiberöverföringsmaterial:

Den optiska fibern som används i det integrerade ledningssystemet är en lysdiod med 850 nm våglängd av glas i flera lägen, med en överföringshastighet på 100M/bps och ett effektivt räckvidd på cirka 20Km. Kärnan och beklädnaden är sammansatta av två medier med olika optiska egenskaper. Mediet inuti har ett högre ljusbrytningsindex än mediet som omger det. Det kan vara känt från fysiken att vid gränssnittet mellan de två medierna, när ljuset skjuts från sidan av det höga brytningsindexet till sidan av det höga brytningsindexet, så länge som infallsvinkeln är större än ett kritiskt värde, reflektionsfenomenet kommer att inträffa, och energin kommer inte att gå förlorad. Vid denna tidpunkt fungerar beläggningen runt det yttre lagret som ett ogenomskinligt material, vilket förhindrar ljus från att strömma ut från ytan under interpenetrationsprocessen. Endast de ljusstrålar med en liten initial infallsvinkel bryts och absorberas av det yttre materialet inom ett kort avstånd.

För närvarande producerade optiska fibrer, oavsett om det är glas eller plastmedia, kan överföra allt synligt ljus och delar av det infraröda spektrumet. Fiberoptiska kablar gjorda av fiber har en mängd olika strukturella former. Det finns två huvudtyper av kortdistanskabel, ett lager strukturkabel är i mitten av ståltråden eller nylontråden, den yttre bunten har ett antal optiska fibrer, och utsidan läggs till med ett lager av plastmantel; Den andra är fiberoptisk kabel med hög densitet, som har flera lager av band överlagrade, varje lager av band läggs parallella rader av optiska fibrer.

Fiberoptiska kablar gjorda av fiber har en mängd olika strukturella former. Det finns två huvudtyper av kabel för korta avstånd, ett lagerstruktur. Den optiska kabeln är i mitten av ståltråden eller nylontråden, den yttre bunten har ett antal optiska fibrer, och utsidan läggs till med ett lager av plasthölje; Den andra är fiberoptisk kabel med hög densitet, som har flera lager av band överlagrade, varje lager av band läggs parallella rader av optiska fibrer.

2, optisk fiberöverföringsprocess:

Ljussignalen som emitteras av lysdioden eller den injicerade laserdioden ILD fortplantar sig längs det optiska mediet, och PIN- eller APD-fotodioden tar emot signalen som en detektor i andra änden. Modulering av den optiska bärvågen är amplitudskiftning, även känd som intensitetsmodulering (IntensityModulation). Vanligtvis representeras två binära tal av ljusets utseende och försvinnande vid en given frekvens. Både LED och injicerade laserdiod ILD-signaler kan moduleras på detta sätt, med PIN- och ILD-detektorer som reagerar direkt på ljusstyrkamodulering.

Effektförstärkning - Den optiska förstärkaren placeras före den optiska sändaren för att öka den inkommande fiberns optiska effekt. Den optiska kraften hos hela linjesystemet förbättras. Online reläförstärkning - När byggnadsgruppen är stor eller avståndet mellan byggnaderna är långt kan den spela en reläförstärkningsroll för att förbättra den optiska effekten. Förförstärkning - Efter fotodetektorn i den mottagande änden förstärks mikrosignalen för att förbättra mottagningsförmågan.

3, optisk fiberöverföringsegenskaper:

Optiska kablar är inte lätta att förgrena, eftersom de sänder optiska signaler, så de används vanligtvis för punkt-till-punkt-anslutningar. Experimentella flerpunktssystem med fiberoptiska busstopologier har byggts, men är fortfarande för dyra. I princip, eftersom fibereffektförlusten är liten, minskar minskningen, det finns en stor bandbreddspotential, så den allmänna fibern kan stödja antalet uttag än tvinnade par eller koaxialkabel mycket mer. För närvarande är den billiga och pålitliga sändaren en lysdiod LED med en våglängd på 0.85um, som kan stödja en överföringshastighet på 100 Mbps och ett LAN i intervallet 1,5 till 2 km. Sändaren av laserdiod är dyr och kan inte uppfylla kravet på miljontimmars liv.

Leddetektorstift som arbetar vid {{0}}.85um våglängder är också billiga mottagare. Lavinfotodiodens signalförstärkning är större än PIN-koden, men den behöver en strömförsörjning på 20 till 50V, medan PIN-detektorn bara behöver en 5V-strömförsörjning. För längre avstånd och högre hastigheter kan ett 1,3 um våglängdssystem användas, som har liten dämpning men är dyrare än ett 0,85 um våglängdssystem. Dessutom är den matchande optiska fiberkontakten också mycket viktig, vilket kräver att anslutningsförlusten för varje kontakt är mindre än 25dB, lätt att installera och lågt pris. Ju större kärna och öppning av fibern är, desto mer ljus får den från lysdioden, desto bättre prestanda. Fiber med en kärndiameter på 100um och en beklädnadsdiameter på 140um kan ge ganska bra prestanda. Den får 4dB mer ljusenergi än 62,5/125um fiber och 8,5dB mer än 50/125um fiber. Fibern som körs på 0,8um har en dämpning på 6dB/Km, och fibern som körs på 1,3um har en dämpning på 4dB/Km. Den optiska fibern på 0,8um har en bandbredd på 150MHz/Km och den optiska fibern på 1,3um har en bandbredd på 500MHz/Km.

I det integrerade kabelsystemet är det mycket lämpligt och nödvändigt att använda optisk fiber som överföringsmedium för huvudstammen.
För närvarande kan en sorts optisk WAVELENGTH DIVISION multiplexeringsteknologi WDM (Wavelength Division MULTI-PLEXING) multiplexeras, skickas och sändas på en linje, vanligtvis enligt en byte åtta-bitars parallell överföring, med olika våglängder för varje bitström, så det behöver stödja kretsen kan köras i låg hastighet. Den optiska fiberlänken i WDM är ett nytt dataöverföringssystem som är lämpligt för bytebreddsenhetsgränssnitt.

(l) Laserkommunikation

Att använda ljus för att överföra information är mycket vanligt idag. Till exempel använder fartyg ljus för att kommunicera och trafikljus använder rött, gult och grönt. Men alla dessa sätt att överföra information med hjälp av vanligt ljus kan bara begränsas till korta avstånd. Om du vill överföra information direkt till avlägsna platser genom ljus kan du inte använda vanligt ljus, utan bara använda laser.

Så hur levererar du lasern? Vi vet att elektricitet kan bäras längs koppartrådar, men ljus kan inte bäras längs vanliga metalltrådar. För detta ändamål har forskare utvecklat en glödtråd som kan överföra ljus, kallad optisk fiber, kallad fiber. Optisk fiber är gjord av speciella glasmaterial, diametern är tunnare än ett människohår, vanligtvis 50 till 150 mikron, och mycket mjuk.

Faktum är att fiberns inre kärna är ett högt brytningsindex av transparent optiskt glas, och den yttre beläggningen är gjord av glas eller plast med lågt brytningsindex. En sådan struktur kan å ena sidan få ljuset att brytas längs den inre kärnan, precis som vatten som rinner framåt i vattenröret, elektricitet som överförs framåt i tråden, även om tusentals vändningar inte har någon effekt. Å andra sidan kan beläggningen med lågt brytningsindex förhindra att ljus läcker ut, precis som att vattenröret inte sipprar och trådens isoleringsskikt inte leder ström.

Utseendet på optisk fiber löser sättet att överföra ljus, men det betyder inte att med det kan vilket ljus som helst överföras till mycket långt borta. Endast hög ljusstyrka, ren färg, bra riktad laser, är den mest idealiska ljuskällan för att överföra information, den matas in från ena änden av fibern, nästan ingen förlust och utmatning från den andra änden. Därför är optisk kommunikation i huvudsak laserkommunikation, som har fördelarna med stor kapacitet, hög kvalitet, bred materialkälla, stark konfidentialitet, hållbarhet etc., och hyllas av forskare som en revolution inom kommunikationsområdet, och är en av dem. av de mest lysande prestationerna i den tekniska revolutionen.

Var är laserkommunikation avancerad? Den första fördelen med laserkommunikation är stor kapacitet. Hur stor är dess kapacitet? När vi vanligtvis pratar i telefon pratar vi med orelaterade röster som ibland blandas in. Detta slagsmålsfenomen beror på det faktum att endast ett samtal kan ringas på en telefonlinje, och om en annan telefon kommer in, är de vanliga två sidorna på telefonen kommer att störas. Om det är 10 personer som pratar på en telefonlinje samtidigt, är det lika med 20 personer som pratar samtidigt, då finns det ingen kommunikation alls. För att lösa detta problem är det nödvändigt att använda bärvåg och andra metoder för att göra varje telefon i varje frekvensband. Eftersom frekvensområdet för vanliga telefoner är 300 ~ 400 Hertz, och den högsta frekvensen på ett par telefonlinjer är endast 1500 KHZ, så bara ett dussin telefoner kan skickas på ett par telefonlinjer samtidigt. Uppenbarligen är sådan telekommunikationskapacitet långt ifrån att uppfylla kraven i dagens informationssamhälle.

Om vi ​​jämför överföringsinformationen från en vanlig telefon med en vagn, så är laserkommunikation en bil. Eftersom frekvensen för lasrar är mycket högre än för radiovågor, är informationskapaciteten för laserkommunikation 1 miljard gånger större än den för elektrisk kommunikation. En optisk fiber som är tunnare än ett människohår kan bära tiotusentals telefonsamtal eller tusentals tv-program. De 20 fiberoptiska kablarna är tjocka som en penna och kan hantera 76 200 samtal per dag. Som jämförelse kan en kabel som består av 1 800 koppartrådar, cirka 7,6 centimeter i diameter, bara ringa 900 samtal per dag.

Det som är särskilt överraskande är att fiberoptisk kommunikation är särskilt lämplig för överföring av tv, bilder och digitalt. Det rapporteras att ett par optiska fibrer kan sända hela Encyclopaedia Britannica på en minut.

Dessutom är materialet som används för att tillverka optiska fibrer kvarts, som finns överallt på jorden, och bara några gram kvarts kan göra optiska fibrer 1 kilometer långa. På så sätt är inte bara råvarorna outtömliga, utan även koppar och aluminium kan sparas mycket. På grund av detta tävlar de utvecklade länderna i världen om att studera laserkommunikation. Så laserkommunikation har blivit utvecklingens älskling.

I kommunikationsteknikens historia är utvecklingen av optisk fiberkommunikationsteknik aldrig tidigare skådad. Med flera milstolpar i kommunikationsteknikens historia tog det cirka 60 år för telefonen att uppfinnas och tillämpas, och telefonkommunikation används fortfarande i stor utsträckning idag. Radioteknologier, som telegrafen, tog också cirka 30 år från uppfinning till tillämpning. Även om tv-tekniken har utvecklats snabbt har den fortfarande varit dräktighet i cirka 14 år. Laserkommunikation, från födelsen av den första optiska fibern med låg förlust till applikationen, totalt endast 5 år. Nu används laserkommunikation inte bara i stor utsträckning, utan har också bildat en enorm optisk fibermarknad.

I maj 1977 fanns det ett stort företag i USA som hette Telegraph and Telephone Company, som lade världens första kortdistansoptiska fiberkommunikationslinje mellan de två telefonkontoren i Chicago, och sedan etablerade en kortdistanslaserkommunikationslinje med en total längd på hundratals kilometer på nästan 100 platser i hela USA. Det betyder att på korta avstånd har laserkommunikation börjat ersätta vanlig elektrisk kommunikation. År 1983 hade 600 kilometer optisk fiberkommunikation mellan New York och Boston tagits i bruk.

USA följs tätt av Japan. 1984 färdigställde Japan den långväga kommunikationslinjen för optisk fiber från Sapporo i Hokkaido till Fukuoka i Kyushu, en total längd på 2 800 kilometer, som förbinder mer än 30 städer. I december 1993 lades en fiberoptisk kabel över Östkinesiska havet mellan Kina och Japan framgångsrikt. En 10,000-kilometer lång ubåtskabel över Stilla havet mellan Japan och USA designas också.

På grund av den kraftiga utvecklingen av optisk fiberkommunikation har USA, Japan, Storbritannien, Frankrike och andra industriländer inrättat optisk fiber, optisk kabelproduktionsföretag. Världens tre berömda optiska fiber- och kabelföretag – United States Western Electric Company, Corning Company och Japans Sumitomo Corporation, produktionen av optisk fiber är mer än 120,000 kilometer per år.

Kort sagt, de industriella utvecklade länderna har etablerat ett nationellt fiberoptiskt kommunikationsnät för att helt ersätta den nuvarande koppartråden och -kabeln, detta enorma tekniska projekt beräknas vara avslutat år 2000. Då kommer laserkommunikation att ge stora förändringar på vår planet. Du kan till exempel använda fiberoptiska nätverk för att arbeta med dokument eller delta i ett möte hemma utan att lämna huset; Eller koppla det fiberoptiska hemmanätet till köpcentret, precis som att vara i en stormarknad, sitta hemma för att köpa de varor du behöver, och betalningen behöver bara regleras med det elektroniska ekonomihandelssystemet. Medicinska centra runt om i världen kan också se patientens tillstånd och laboratorierapport från skärmen och utfärda ett recept enligt det, för att verkligen uppnå "den lärde går inte ut, känner världen", "strategier i tältet, avgörande seger tusentals mil bort”.

Lasrar och fiberoptik kan också överföra bilder. Först kombineras en enda optisk fiber, mindre i diameter än ett människohår, till ett fiberknippe. I processen att överföra information finns det två typer av fiberknippen som vanligtvis används: den ena kallas ljusstrålen och den andra kallas bildstrålen. Uppgiften med strålöverföring är att föra ljus från ena änden till den andra. Stråltransmissionsstrukturen är relativt enkel, den består av ett antal monofilament som är sammanbundna, och sedan poleras och slipas ändytan för att minska reflektionen och spridningsförlusten av ljus in i fibern, och sedan läggs plasthöljet på utsidan av strålöverföringen.

Eftersom en optisk fiber bara kan sända en punkt, för att överföra hela bilden, måste de optiska styrfibrerna vara snyggt arrangerade en efter en, så att det optiska fiberknippet kallas bildstrålen.

I bildöverföringsbunten är alla optiska fibrer snyggt ordnade, och positionerna för de två ändarna är strikt överensstämmande en efter en, vilket inte alls är kaotiskt, precis som en snygg ätpinnar. Till exempel, om ena änden av en optisk fiber är i den åttonde raden och den åttonde kolumnen i bildöverföringsstrålen, så är dess andra ände också i åttonde eller åttonde positionen.

Vid sändning av bilder delar bildstrålen först upp bilden i en nätform, det vill säga en bild bryts ner till otaliga pixlar av otaliga optiska fibrer och sänds sedan ut. En optisk fiber är ansvarig för att överföra en pixel, och otaliga optiska fibrer kan överföra hela bilden till den andra änden. Om du vill göra bildöverföringen tydlig är det nödvändigt att välja en tunnare diameter på fibern, eftersom ju tunnare fibern är, desto mer ljus kan rymmas på en viss stråle av bildöverföring, så att fler pixlar kan överföras. Uppenbarligen, ju fler pixlar, desto tydligare blir bilden.

Bildstrålen som används idag består av tiotusentals optiska fibrer, och det är inte lätt att ordna så många optiska fibrer snyggt. Efter arrangemanget används ett organiskt lim som kallas epoxiharts för att limma ihop de två ändarna, så att den optiska fibern binds och fixeras, vilket säkerställer att de optiska fibrerna i båda ändarna motsvarar varandra. De två ändarna ska också slätas och poleras. När det gäller mittdelen behöver den inte limmas fast utan är lös som snöret på erhun och behöver bara lägga till en skyddande plasthylsa utanför, så att bildöverföringsbunten blir mjuk och kan böjas godtyckligt.

Förutom överföring av bilder kan bildstrålen även överföra allmänna symboler eller siffror, samt förstora eller förminska bilden.

För att förstora bilden kan strålen göras större i ena änden och mindre i den andra, som en kon. När bildelementet förs från den lilla änden till den stora änden förstoras hela bilden. Å andra sidan, om bilden skickas från den stora änden till den lilla änden förminskas hela bilden.

Dessutom kan optisk fiber användas för att ändra bilden. Om arrangemanget av den optiska fibern avsiktligt störs i enlighet med behovet, kan pixeln vid utgångsänden inte falla på den ursprungliga motsvarande punkten, utan falla på punkten för subjektiv uppfattning, så bilden ändras. Om den optiska fibern vid bildelementets inloppsände görs kvadratisk, och den optiska fibern vid utloppsänden görs cirkulär, kan det kvadratiska bildelementet omvandlas till ett cirkulärt bildelement.

Kort sagt, optisk fiberbildstråle har stor utvecklingspotential och kommer alltmer att visa sin unika roll i framtidens optiska informationsbehandlingsteknologi.