Kāds ir optiskās šķiedras princips? Kā gaismu var pārvērst citos signāla veidos?

Optisko šķiedru izmanto kā nesēju gaismas pārraidīšanai, un pēc kāda principa abos optiskās šķiedras galos gaismu pārvērš vajadzīgajā signālā?

 

Optiskās šķiedras princips

1, optiskās šķiedras pārraides materiāls:

Integrētajā vadu sistēmā izmantotā optiskā šķiedra ir stikla daudzrežīmu 850 nm viļņa garuma gaismas diode ar pārraides ātrumu 100 M/bps un efektīvu diapazonu aptuveni 20 km. Kodols un apšuvums sastāv no diviem datu nesējiem ar dažādām optiskām īpašībām. Videi iekšpusē ir augstāks gaismas laušanas koeficients nekā videi, kas to ieskauj. No fizikas var zināt, ka divu nesēju saskarnē, kad gaisma tiek izšauta no augsta refrakcijas indeksa puses uz augsta laušanas koeficienta pusi, kamēr krišanas leņķis ir lielāks par kritisko vērtību, parādīsies atstarošanas fenomens, un enerģija netiks zaudēta. Šajā laikā pārklājums ap ārējo slāni darbojas kā necaurspīdīgs materiāls, neļaujot gaismai izkļūt no virsmas savstarpējas iespiešanās procesa laikā. Tikai tie gaismas stari ar nelielu sākotnējo krišanas leņķi tiek lauzti, un ārējais materiāls tos absorbē nelielā attālumā.

Pašlaik ražotās optiskās šķiedras neatkarīgi no tā, vai tās ir stikla vai plastmasas materiāls, var pārraidīt visu redzamo gaismu un daļu no infrasarkanā spektra. Optisko šķiedru kabeļiem, kas izgatavoti no šķiedras, ir dažādas konstrukcijas formas. Ir divi galvenie īsa attāluma kabeļu veidi, viena slāņa struktūras kabelis atrodas tērauda stieples vai neilona stieples centrā, ārējā saišķī ir vairākas optiskās šķiedras, un ārpusē ir pievienots plastmasas apvalka slānis; Otrs ir augsta blīvuma optisko šķiedru kabelis, kuram ir uzklāti vairāki lentes slāņi, katrs lentes slānis ir novietots paralēli optisko šķiedru rindām.

Optisko šķiedru kabeļiem, kas izgatavoti no šķiedras, ir dažādas konstrukcijas formas. Ir divi galvenie kabeļu veidi nelieliem attālumiem, viena slāņa struktūra. Optiskais kabelis atrodas tērauda stieples vai neilona stieples centrā, ārējā saišķī ir vairākas optiskās šķiedras, un ārpusē ir pievienots plastmasas apvalka slānis; Otrs ir augsta blīvuma optisko šķiedru kabelis, kuram ir uzklāti vairāki lentes slāņi, katrs lentes slānis ir novietots paralēli optisko šķiedru rindām.

2, optiskās šķiedras pārraides process:

Gaismas signāls, ko izstaro gaismas diodes LED vai injicētā lāzera diode ILD, izplatās pa optisko datu nesēju, un PIN vai APD fotodiode saņem signālu kā detektors otrā galā. Optiskā nesēja modulācija ir amplitūdas maiņas atslēga, kas pazīstama arī kā intensitātes modulācija (IntensityModulation). Parasti divus bināros skaitļus attēlo gaismas parādīšanās un izzušana noteiktā frekvencē. Šādā veidā var modulēt gan LED, gan injicētos lāzerdiodes ILD signālus, PIN un ILD detektori reaģē tieši uz spilgtuma modulāciju.

Jaudas pastiprināšana - optiskais pastiprinātājs tiek novietots pirms optiskā raidītāja, lai palielinātu ienākošās šķiedras optisko jaudu. Tiek uzlabota visas līnijas sistēmas optiskā jauda. Tiešsaistes releja pastiprināšana — ja ēku grupa ir liela vai attālums starp ēkām ir liels, tai var būt releja pastiprināšanas loma, lai uzlabotu optisko jaudu. Iepriekšēja pastiprināšana - pēc fotodetektora uztveršanas galā tiek pastiprināts mikrosignāls, lai uzlabotu uztveršanas spēju.

3, optiskās šķiedras pārraides raksturlielumi:

Optiskos kabeļus nav viegli sazarot, jo tie pārraida optiskos signālus, tāpēc tos parasti izmanto savienojumam no punkta uz punktu. Eksperimentālas daudzpunktu sistēmas ar optisko šķiedru kopņu topoloģijām ir uzbūvētas, taču tās joprojām ir pārāk dārgas. Principā, tā kā šķiedras jaudas zudumi ir nelieli, samazinājums ir samazināts, ir liels joslas platuma potenciāls, tāpēc vispārējā šķiedra var atbalstīt pieskārienu skaitu daudz vairāk nekā vītā pāra vai koaksiālais kabelis. Pašlaik lētais un uzticamais raidītājs ir gaismas diodes LED ar viļņa garumu 0,85 um, kas var atbalstīt pārraides ātrumu 100 Mbps un LAN diapazonā no 1,5 līdz 2 KM. Lāzera diodes raidītājs ir dārgs un nevar izpildīt prasību par miljonu stundu kalpošanas laiku.

Led detektoru tapas, kas darbojas ar {{0}},85 um viļņu garumu, ir arī zemu izmaksu uztvērēji. Lavīnas fotodiodes signāla pastiprinājums ir lielāks nekā PIN, taču tai ir nepieciešams barošanas avots no 20 līdz 50V, savukārt PIN detektoram ir nepieciešams tikai 5 V barošanas avots. Lielākiem attālumiem un lielākiem ātrumiem var izmantot 1,3 um viļņa garuma sistēmu, kurai ir mazs vājināšanās, taču tā ir dārgāka nekā 0,85 um viļņa garuma sistēma. Turklāt ļoti svarīgs ir arī atbilstošais optiskās šķiedras savienotājs, tāpēc katra savienotāja savienojuma zudumam jābūt mazākam par 25 dB, tas ir viegli uzstādāms un zema cena. Jo lielāks ir šķiedras kodols un apertūra, jo vairāk gaismas tā saņem no LED, jo labāka ir tā veiktspēja. Šķiedra ar serdes diametru 100 um un apšuvuma diametru 140 um var nodrošināt diezgan labu veiktspēju. Tas saņem par 4 dB vairāk gaismas enerģijas nekā 62,5/125 um šķiedra un par 8,5 dB vairāk nekā 50/125 um šķiedra. Šķiedras, kas darbojas ar 0,8 um, vājinājums ir 6 dB/Km, un šķiedras, kas darbojas ar 1,3 um, vājinājums ir 4 dB/Km. 0,8 um optiskās šķiedras joslas platums ir 150 MHz/km, un 1,3 um optiskās šķiedras joslas platums ir 500 MHz/km.

Integrētajā kabeļu sistēmā ir ļoti piemērots un nepieciešams izmantot optisko šķiedru kā galvenā maģistrāles pārraides līdzekli.
Pašlaik sava veida optiskās WAVELENGTH DIVISION multipleksēšanas tehnoloģiju WDM (Wavelength division MULTI-PLEXING) var multipleksēt, nosūtīt un pārraidīt pa līniju, parasti saskaņā ar baitu astoņu bitu paralēlo pārraidi, katrai bitu straumei izmantojot dažādus viļņu garumus, tāpēc tai ir jāatbalsta ķēde var darboties ar zemu ātrumu. WDM optiskās šķiedras saite ir jauna datu pārraides sistēma, kas piemērota baitu platuma ierīces saskarnei.

l) lāzersakari

Gaismas izmantošana informācijas pārraidei mūsdienās ir ļoti izplatīta. Piemēram, kuģi saziņai izmanto gaismas, bet luksofori izmanto sarkano, dzelteno un zaļo gaismu. Bet visus šos informācijas pārraidīšanas veidus, izmantojot parasto gaismu, var ierobežot tikai nelielos attālumos. Ja vēlaties pārraidīt informāciju tieši uz attālām vietām caur gaismu, jūs nevarat izmantot parasto gaismu, bet izmantot tikai lāzerus.

Tātad, kā jūs piegādājat lāzeru? Mēs zinām, ka elektrību var nest pa vara vadiem, bet gaismu nevar nest pa parastajiem metāla vadiem. Šim nolūkam zinātnieki ir izstrādājuši kvēldiegu, kas var pārraidīt gaismu, ko sauc par optisko šķiedru, ko dēvē par šķiedru. Optiskā šķiedra ir izgatavota no īpašiem stikla materiāliem, diametrs ir plānāks par cilvēka matu, parasti 50 līdz 150 mikroni, un ļoti mīksts.

Faktiski šķiedras iekšējais kodols ir ar augstu caurspīdīga optiskā stikla laušanas koeficientu, un ārējais pārklājums ir izgatavots no stikla vai plastmasas ar zemu laušanas koeficientu. Šāda struktūra, no vienas puses, var likt gaismai lauzt gar iekšējo serdi, tāpat kā ūdenim, kas plūst uz priekšu pa ūdens cauruli, elektrību vadā pārvadīt uz priekšu, pat ja tūkstošiem līkloču un pagriezienu nav nekādas ietekmes. No otras puses, pārklājums ar zemu refrakcijas indeksu var novērst gaismas noplūdi, tāpat kā ūdensvads nesūcas un stieples izolācijas slānis nevada elektrību.

Optiskās šķiedras izskats atrisina gaismas pārraides veidu, taču tas nenozīmē, ka ar to jebkuru gaismu var pārraidīt ļoti tālu. Tikai augsts spilgtums, tīra krāsa, labs virziena lāzers, ir ideālākais gaismas avots informācijas pārraidei, tas tiek ievadīts no viena šķiedras gala, gandrīz bez zudumiem un izvade no otra gala. Tāpēc optiskā komunikācija būtībā ir lāzersakari, kuras priekšrocības ir liela jauda, ​​augsta kvalitāte, plašs materiālu avots, spēcīga konfidencialitāte, izturība utt., un zinātnieki to slavē kā revolūciju komunikācijas jomā, un tā ir viena no tām. no spožākajiem sasniegumiem tehnoloģiskajā revolūcijā.

Kur ir uzlabota lāzera komunikācija? Pirmā lāzera sakaru priekšrocība ir liela jauda. Cik liela ir tā ietilpība? Kad mēs parasti runājam pa tālruni, mēs runājam nesaistītās balsīs, kas dažkārt sajaucas. Šī cīņas parādība ir saistīta ar faktu, ka pa tālruņa līniju var veikt tikai vienu zvanu, un, ja ienāk cits tālrunis, tad parastās divas puses. tiks traucēta tālruņa darbība. Ja pa vienu tālruņa līniju vienlaikus runā 10 cilvēki, tas ir vienāds ar 20 cilvēkiem vienlaikus, tad saziņas nav vispār. Lai atrisinātu šo problēmu, ir nepieciešams izmantot nesēju un citas metodes, lai katru tālruni izveidotu katrā frekvenču joslā. Tā kā parasto tālruņu frekvenču diapazons ir 300 ~ 400 Hz, un augstākā frekvence telefona līniju pārī ir tikai 1500 KHZ, tāpēc telefona līniju pārī vienlaikus var pārraidīt tikai duci tālruņu. Acīmredzot šāda telekomunikāciju jauda ne tuvu neatbilst mūsdienu informācijas sabiedrības prasībām.

Ja salīdzinām parasta telefona pārraides informāciju ar ratiņiem, tad lāzersakari ir automašīna. Tā kā lāzeru frekvence ir daudz augstāka nekā radioviļņu frekvence, lāzera sakaru informācijas jauda ir 1 miljardu reižu lielāka nekā elektrisko sakaru. Optiskā šķiedra, kas ir plānāka par cilvēka matu, var pārraidīt desmitiem tūkstošu tālruņa zvanu vai tūkstošiem televīzijas programmu. 20 optiskās šķiedras kabeļi ir zīmuļa biezumā un spēj apstrādāt 76 200 zvanu dienā. Salīdzinājumam, kabelis, kas sastāv no 1800 vara vadiem, kuru diametrs ir aptuveni 7,6 centimetri, var veikt tikai 900 zvanu dienā.

Īpaši pārsteidzoši ir tas, ka optiskās šķiedras sakari ir īpaši piemēroti televīzijas, attēlu un ciparu pārraidei. Tiek ziņots, ka optisko šķiedru pāris minūtē var pārraidīt visu Encyclopaedia Britannica.

Turklāt optisko šķiedru izgatavošanai izmantotais materiāls ir kvarcs, kas sastopams visur uz Zemes, un tikai no dažiem gramiem kvarca var izgatavot 1 kilometru garas optiskās šķiedras. Tādā veidā ne tikai izejvielas ir neizsmeļamas, bet arī varš un alumīnijs var ievērojami ietaupīt. Šī iemesla dēļ attīstītās pasaules valstis sacenšas par lāzerkomunikāciju izpēti. Tātad lāzera komunikācija ir kļuvusi par attīstības mīluli.

Sakaru tehnoloģiju vēsturē optisko šķiedru sakaru tehnoloģiju attīstība ir bezprecedenta. Ņemot vērā vairākus pagrieziena punktus sakaru tehnoloģiju vēsturē, telefona izgudrošana un pielietošana prasīja aptuveni 60 gadus, un telefona sakari joprojām tiek plaši izmantoti arī mūsdienās. Arī radiotehnoloģijām, piemēram, telegrāfam, no izgudrošanas līdz pielietojumam pagāja apmēram 30 gadi. Lai gan televīzijas tehnoloģija ir strauji attīstījusies, tā joprojām ir grūtniecība apmēram 14 gadus. Lāzera komunikācija, no pirmās zemu zudumu optiskās šķiedras dzimšanas līdz pielietojumam, kopā tikai 5 gadi. Tagad lāzera komunikācija ir ne tikai plaši izmantota, bet arī veido milzīgu optisko šķiedru tirgu.

1977. gada maijā Amerikas Savienotajās Valstīs darbojās liels uzņēmums Telegraph and Telephone Company, kas izveidoja pasaulē pirmo īsa attāluma optiskās šķiedras sakaru līniju starp diviem tālruņu birojiem Čikāgā un pēc tam izveidoja īsa attāluma lāzera sakaru līniju. ar kopējo garumu simtiem kilometru gandrīz 100 vietās visā ASV. Tas nozīmē, ka nelielos attālumos lāzersakari ir sākuši aizstāt parastos elektriskos sakarus. Līdz 1983. gadam tika izmantoti 600 kilometri optiskās šķiedras sakaru starp Ņujorku un Bostonu.

ASV cieši seko Japāna. 1984. gadā Japāna pabeidza tālsatiksmes optisko šķiedru sakaru maģistrālo līniju no Saporo Hokaido līdz Fukuokai Kjusju štatā, kuras kopējais garums ir 2800 kilometri, savienojot vairāk nekā 30 pilsētas. 1993. gada decembrī tika veiksmīgi ievilkts optiskās šķiedras kabelis pāri Austrumķīnas jūrai starp Ķīnu un Japānu. Tiek projektēts arī 10 kilometrus garš zemūdens kabelis pāri Klusajam okeānam starp Japānu un ASV.

Pateicoties enerģiskai optisko šķiedru sakaru attīstībai, Amerikas Savienotās Valstis, Japāna, Lielbritānija, Francija un citas rūpnieciski attīstītās valstis ir izveidojušas optisko šķiedru, optisko kabeļu ražošanas uzņēmumus. Trīs pasaulē slaveni optisko šķiedru un kabeļu uzņēmumi — ASV Western Electric Company, Corning Company un Japānas Sumitomo Corporation — optisko šķiedru ražošana ir vairāk nekā 120,{2}} kilometru gadā.

Īsāk sakot, rūpnieciski attīstītās valstis ir izveidojušas nacionālo optisko šķiedru sakaru tīklu, lai pilnībā aizstātu pašreizējo vara vadu un kabeli, un tiek lēsts, ka šis apjomīgais tehniskais projekts tiks pabeigts līdz 2000. gadam. Tajā laikā lāzersakari nesīs lieliskus rezultātus. izmaiņas uz mūsu planētas. Piemēram, varat izmantot optisko šķiedru tīklus, lai strādātu ar dokumentiem vai apmeklētu sapulci mājās, neizejot no mājas; Vai arī pieslēdziet mājas optisko šķiedru tīklu tirdzniecības centram, tāpat kā atrodoties lielveikalā, sēžot mājās, lai iegādātos vajadzīgās preces, un maksājums ir jānokārto tikai ar elektronisko finanšu iepirkšanās sistēmu. Medicīnas centri visā pasaulē var arī aplūkot pacienta stāvokli un laboratorijas ziņojumu no ekrāna un saskaņā ar to izrakstīt recepti, lai patiesi sasniegtu "pētnieks neiet ārā, nepazīst pasauli", "stratēģija teltī, izšķirošā uzvara tūkstošiem jūdžu attālumā”.

Lāzeri un optiskās šķiedras var arī pārraidīt attēlus. Pirmkārt, viena optiskā šķiedra, kuras diametrs ir mazāks par cilvēka matu, tiek apvienota šķiedru saišķī. Informācijas pārraides procesā parasti tiek izmantoti divu veidu šķiedru kūļi: vienu sauc par gaismas staru, bet otru par attēla staru. Staru pārraides uzdevums ir pārnest gaismu no viena gala uz otru. Staru pārvades struktūra ir salīdzinoši vienkārša, tā sastāv no vairākiem monopavedienu, kas savienoti kopā, un pēc tam gala virsma tiek pulēta un slīpēta, lai samazinātu gaismas atstarošanu un izkliedes zudumu šķiedrā, un pēc tam tiek uzlikts plastmasas apvalks. stara pārraides ārpusē.

Tā kā optiskā šķiedra var pārraidīt tikai vienu punktu, lai pārraidītu visu attēlu, optiskās virzošās šķiedras ir kārtīgi jāsakārto pa vienai, lai optisko šķiedru kūli sauc par attēla staru.

Attēla pārraides saišķī visas optiskās šķiedras ir sakārtotas glīti, un abu galu pozīcijas ir stingri atbilstošas ​​pa vienam, kas nebūt nav haotiski, gluži kā kārtīgi irbulīši. Piemēram, ja viens optiskās šķiedras gals atrodas attēla pārraides staru kūļa astotajā rindā un astotajā kolonnā, tad arī tās otrs gals atrodas astotajā vai astotajā pozīcijā.

Pārraidot attēlus, attēla stars vispirms sadala attēlu acs formā, tas ir, attēls tiek sadalīts neskaitāmos pikseļos ar neskaitāmām optiskām šķiedrām un pēc tam tiek pārraidīts. Viena optiskā šķiedra ir atbildīga par viena pikseļa pārraidi, un neskaitāmas optiskās šķiedras var pārraidīt visu attēlu uz otru galu. Ja vēlaties padarīt attēla pārraidi skaidru, nepieciešams izvēlēties plānāku šķiedras diametru, jo jo plānāka šķiedra, jo vairāk gaismas var uzņemt uz noteikta attēla pārraides kūļa, lai varētu pārraidīt vairāk pikseļu. Acīmredzot, jo vairāk pikseļu, jo skaidrāks attēls.

Mūsdienās izmantotais attēla stars sastāv no desmitiem tūkstošu optisko šķiedru, un tik daudz optisko šķiedru glīti sakārtot nav viegli. Pēc sakārtošanas abu galu salīmēšanai izmanto organisko līmi, ko sauc par epoksīdsveķiem, lai optiskā šķiedra būtu savienota un fiksēta, nodrošinot, ka optiskās šķiedras abos galos atbilst pa vienai. Abi gali arī jāizlīdzina un jānopulē. Kas attiecas uz vidusdaļu, tai nav jābūt stingri pielīmētai, bet tā ir vaļīga kā erhu aukla, un tikai ārpusē jāpievieno plastmasas aizsarguzmava, lai attēla pārraides saišķis būtu mīksts un patvaļīgi salocīts.

Papildus attēlu pārraidei attēla stars var pārraidīt arī vispārīgus simbolus vai ciparus, kā arī palielināt vai samazināt attēlu.

Lai palielinātu attēlu, staru vienā galā var padarīt lielāku, bet otru mazāku, piemēram, konusu. Kad attēla elements tiek novirzīts no mazā gala uz lielo galu, viss attēls tiek palielināts. No otras puses, ja attēls tiek nosūtīts no lielā gala uz mazo galu, viss attēls tiek samazināts.

Turklāt attēla mainīšanai var izmantot optisko šķiedru. Ja optiskās šķiedras izvietojums tiek apzināti izjaukts atbilstoši nepieciešamībai, pikselis izejas galā var nevis nokrist uz oriģinālo atbilstošo punktu, bet gan nokrist uz subjektīvās koncepcijas punktu, līdz ar to tiek mainīts attēls. Ja optisko šķiedru attēla elementa ieejas galā padara kvadrātveida, bet optisko šķiedru izejas galā padara apļveida, kvadrātveida attēla elementu var pārvērst par apļveida attēla elementu.

Īsāk sakot, optiskās šķiedras attēla staram ir liels attīstības potenciāls, un tas arvien vairāk parādīs savu unikālo lomu nākotnes optiskās informācijas apstrādes tehnoloģijā.