Kā darbojas šķiedra: kas uztur gaismu šķiedrās?

Mūsdienās ātrgaitas optiskās šķiedras savienojamība ir mainījusi mūsu dzīves, darba un saziņas veidu. Pieaugošais globālais pieprasījums pēc joslas platuma un sistēmas uzticamības veicina nepārtrauktu hipermēroga tehnoloģiju ieviešanu, ar mērogojamiem visu šķiedru tīkliem, kas atvieglo datu plūsmu laikā, kad ir vislielākais pieprasījums. Pirms iedziļināties optiskās šķiedras principos, īsumā apskatīsim priekšrocības, ko sniedz pāreja no tradicionālās vara bāzes infrastruktūras uz modernām šķiedru tehnoloģijām. Salīdzinot ar tradicionālo vara kabeļu datu pārraides ātrumu, šķiedru kabeļi var nodrošināt lielāku pārraides ātrumu. Protams, tās ir visas optiskās šķiedras priekšrocības. Atšķirībā no tradicionālajiem vara kabeļiem, šķiedra pārraida datus gaismas, nevis elektrības veidā, līdz minimumam samazinot siltuma problēmas cieši savienotās caurulēs un augsta blīvuma tīklos. Turklāt viena šķiedra var pārraidīt signālu vairāk nekā 100 kilometru attālumā, savukārt signāla vājināšanās vara kabelī notiek aptuveni 100 metru attālumā. Nav šaubu, ka optiskās šķiedras tehnoloģija ir nākotnes ātrgaitas, zema latentuma un hipersavienojuma pasaules mugurkauls. Lai izskaidrotu, kā darbojas optiskās šķiedras, un noteiktu, kas šķiedru optikā saglabā gaismu, šajā rakstā tiks sniegts īss pārskats par optiskās šķiedras tehnoloģijas pamatiezīmēm, apkopojot attiecīgos faktorus, procesus un zinātniskos principus, kas ir pamatā papildu tehnoloģijām, kas veicina virzību. optiskās šķiedras savienojamības nākotnes perspektīvas.

Optiskais kabelis: struktūra un sastāvs

Optiskās šķiedras kabelis sastāv no trim galvenajām sastāvdaļām. Viens no tiem ir gaismu nesošais kodols, kam seko apšuvums un visbeidzot aizsargājošais ārējais pārklājums (pazīstams arī kā apvalks). Katrai optiskās šķiedras kabeļa sastāvdaļai (vai cilindriskajam slānim) ir īpašs mērķis datu efektīvai izplatīšanai kā optiskajam signālam. Izpratne par tādiem terminiem kā refrakcija, refrakcijas indekss un kopējā iekšējā atstarošana palīdz izprast optiskajās šķiedrās izmantoto materiālu funkcijas un lietojumu.

Optisko šķiedru kabeļa struktūra: serdeņa optiskais signāls iet caur serdi. Kodols sastāv no ļoti attīrīta silīcija dioksīda (SiO2) un ļoti neliela daudzuma "dopantu", piemēram, germānija, kas tiek pievienoti, lai pielāgotu refrakcijas indeksu optimālai gaismas caurlaidībai. Dažāda diametra serdes var izmantot dažādiem mērķiem. Piemēram, relatīvi šaurais vienmoda šķiedras diametrs (parasti aptuveni 8-10 mikroni) ierobežo pārraidi uz vienu, fokusētu ceļu, palīdzot saglabāt signāla precizitāti lielos attālumos. Alternatīvi, vairāku režīmu šķiedrām, kas pārraida dažādus optiskos signālus nelielos attālumos (piemēram, ēkās vai universitātes pilsētiņā), ir nepieciešams 50+ mikronu diametrs.

Neatkarīgi no tā, vai tas ir viens vai daudzrežīms, kodola augstais refrakcijas indekss attiecībā pret apšuvumu ir faktors, lai panāktu pilnīgu iekšējo atstarošanu. Apšuvums Apšuvums ieskauj serdi. Divkāršā un trīskāršā pārklājuma šķiedra kalpo specializētām lieljaudas lietojumprogrammām, piemēram, rūpnieciskajām lāzersistēmām, savukārt viena pārklājuma šķiedras kabeļi kalpo ikdienas lietojumiem, piemēram, telekomunikāciju un datu tīkliem. Apšuvuma galvenais mērķis ir ierobežot gaismu līdz kodolam. Tas tiek panākts, nodrošinot zemāku refrakcijas indeksu, lai panāktu pilnīgu iekšējo atstarošanu. Ārējais slānis (vai apvalks) tieši nesadarbojas ar gaismu, kas iet caur kodolu.

Tā vietā ārējais slānis nodrošina mehānisko izturību un fizisko aizsardzību pret vides faktoriem, kas varētu samazināt materiāla refrakcijas indeksu šķiedras iekšpusē. Tajos ietilpst ar laikapstākļiem saistīta ūdens ieplūde un ekstremālas temperatūras, kā arī vilkšana, locīšana un pagriešana uzstādīšanas un pārvietošanas laikā. Tādā veidā izturīgais kabeļa apvalks palīdz nodrošināt efektīvu un uzticamu gaismas caurlaidību. Lai labāk saprastu, kā gaisma paliek šķiedrā, mums jāsāk savienot galvenās iekšējās atstarošanas, kritiskā leņķa un refrakcijas indeksa jēdzienus.

Kas ir refrakcija? Refrakcija raksturo gaismas virziena maiņu, kad tā iet cauri dažāda blīvuma barotnei. Piemēram, apsveriet iespēju apgaismot lukturīti uz lielas stikla bļodas, kas piepildīta ar ūdeni. Tā kā gaisma virs ūdenslīnijas tiek novērota caur relatīvi mazāk blīvu gaisu, salīdzinot ar gaismu, kas skar blīvāku ūdeni zemāk, gaismas ceļa leņķis, šķiet, mainās ieejas punktā. Kad gaisma iziet cauri dažāda blīvuma barotnei, gaismas virziena izmaiņas sauc par refrakciju (skat. Snella likumu zemāk). Kas ir refrakcijas indekss? Turpinot piemēru par lukturīša iedegšanu ūdenī, mēs varētu uzdot tādus jautājumus kā: "Vai gaisma vienmēr laužas vienā leņķī?" Atbilde ir nē. Gaisma tiek lauzta aprēķināmā leņķī atbilstoši refrakcijas indeksam. Zinot, piemēram, ūdens un gaisa laušanas koeficientu, optiskos parametrus, kas nosaka laušanas leņķi, var ievadīt vienādojumā, kas parāda precīzu paredzamās laušanas leņķi istabas temperatūrā (dažos gadījumos ekstrēmas temperatūras ietekmē blīvumu ir jāņem vērā).

Kā refrakcijas indekss ir saistīts ar serdi un apšuvumu?

Gaisma, kas pārvietojas no blīvākas vides uz mazāk blīvu, novirzīsies no "normālās" (tas ir, iedomātas līnijas, kas ir perpendikulāra saskarnei starp diviem medijiem ieejas punktā). Atgriežoties pie zibspuldzes piemēra, mēs varētu apsvērt iespēju iegremdēt lukturīti ūdenī, lai gaismai tagad būtu jāpārvietojas no blīvāka ūdens uz mazāk blīvu gaisu, atdarinot to, kas notiek, kad gaisma virzās cauri kodolam un apšuvumā. Gaismas virzīšana Luktura leņķis ārpus "kritiskā leņķa" atspoguļos gaismu ūdenī. Tāpat gaismas leņķim, kas iet caur serdi, ir jāpārsniedz kritiskais leņķis, un apšuvumam jānodrošina zemāks laušanas koeficients nekā serdei.

Kritiskais leņķis un kopējā iekšējā atstarošanās Gaisma piedzīvos pilnīgu iekšējo atstarošanos, izplatoties no blīvākas vides uz mazāk blīvu vidi leņķī, kas pārsniedz kritisko leņķi. Šeit gaisma tiek atspoguļota blīvākā primārajā vidē un neieplūst mazāk blīvā sekundārajā vidē. Izpratne par refrakcijas, refrakcijas indeksa, kritiskā leņķa un kopējās iekšējās atstarošanas principiem ļauj inženieriem izvēlēties serdes un apšuvuma materiālus optimālai šķiedras veiktspējai.