tuntemus

Kuituoptiset kaapelit kuljettavat tietoa lähettämällä valosignaaleja erittäin ohuita lasi- tai muovikuituja pitkin, mikä tarjoaa huomattavasti suuremman nopeuden, kapasiteetin ja siirtoalueen perinteiseen kuparijohdotukseen verrattuna. Kolmesta avainkerroksesta -, sisäytimestä, ympäröivästä verhouksesta ja ulkoisesta suojapinnoitteesta - rakennetut kaapelit toimivat nykyaikaisten laajakaistaverkkojen, tietoliikenneinfrastruktuurin ja teollisuuden viestintäjärjestelmien selkärankana. Ymmärtäminenmiten optiset kuidut toimivatvoi auttaa ratkaisemaan joitain haastavia ongelmia.

Mikä on optinen kuitu

Optinen kuituon viestintäjohdin, joka käyttää valoa tiedonsiirtovälineenä ja lasia tai muovia siirtovälineenä. Perusprosessi toimii seuraavasti: sähköiset signaalit muunnetaan valopulsseiksi, siirretään suurella nopeudella erittäin ohuiden lasisäikeiden läpi ja muunnetaan sitten takaisin sähköisiksi signaaleiksi vastaanottopäässä. Tavallisen tiedonsiirtokuidun halkaisija on noin 125 mikrometriä - suunnilleen sama kuin ihmisen hiuksen. Tästä uskomattoman ohuesta poikki-leikkauksesta huolimatta sisätiloissa on tarkka monikerroksinen samankeskinen rakenne, jossa jokainen kerros toimii itsenäisesti.

On tärkeää erottaa valokuitu ja valokuitukaapeli. Avalokaapelion täydellinen kaapelikokoonpano, jossa on yksi tai useampi optinen kuitu sekä vahvuusosat ja suojavaipat, jotka on suunniteltu siirtämään tietoa valopulsseina pitkiä matkoja.

Kuituoptisen kaapelin nelikerroksinen fyysinen rakenne

Ymmärtääkseenmistä valokuitukaapeli on tehty, katsotaanpa tarkemmin sen neljää tarkasti{0}}suunniteltua kerrosta sisältä ulospäin.

Ydin

Keskellä sijaitsevan ytimen halkaisija on 8-62,5 mikrometriä ja se toimii varsinaisena kanavana, jonka läpi valosignaalit kulkevat. Ydin on valmistettu erittäin -puhtaudesta piidioksidista (SiO₂), johon on seostettu pieniä määriä germaniumia (Ge) sen taitekertoimen lisäämiseksi. Ytimen puhtaus määrittää suoraan signaalin lähetysetäisyyden ja häviötasot - viestintä-laatukuitu vaatii lasin puhtauden vähintään 99,99 %.

Verhous

Thevalokuitukaapelin päällysteympäröi ytimen yhtenäisellä halkaisijalla 125 mikrometriä. Se on myös valmistettu piidioksidista, mutta sillä on erilainen seostuskaava, joka antaa sille hieman alhaisemman taitekertoimen kuin ytimellä. Tämä taitekerroinero on fyysinen edellytys valosignaalin siirtämiselle - ilman sitä valo yksinkertaisesti vuotaisi kuidusta.

Pinnoite (puskuri)

Yksi tai kaksi kerrosta UV{0}}kovettuvaa akrylaattiapinnoitelevitetään verhouksen päälle, jolloin kuidun kokonaishalkaisija on 250 mikrometriä. Pinnoite suojaa paljaaa lasia mikrotaittumiselta, naarmuuntumiselta ja kosteuden tunkeutumiselta. Pinnoitteen heikkeneminen on yksi tärkeimmistä syistä kuitujen suorituskyvyn heikkenemiseen pitkäaikaisen-käytön jälkeen.

Takki

Uloin suojarakenne on tyypillisesti valmistettu polyeteenistä (PE) tai polyvinyylikloridista (PVC), joissakin erikoissovelluksissa käytetään Low Smoke Zero Halogen (LSZH) -materiaaleja. Vaippa voi sisältää myös aramidikuituja (Kevlar), teräslankaa tai lasikuituvahvisteisia muovitankoja (FRP) lujuuselementteinä, jotka kestävät veto-, puristus- ja taivutusjännitystä asennuksen aikana.

Yhdessä nämä neljä kerrosta - erittäin puhdasta-piidioksidiydintä, seostettu piidioksidipäällyste, akrylaattipinnoite ja polymeerivaippa - muodostavat olennaisenoptiset kuitumateriaalitlöytyy jokaisesta viestintätasoisesta-kaapelista.

Varsinaisissa sovelluksissa kymmeniä tai tuhansia optisia kuituja niputetaan yhteen optiseksi kaapeliksi. Optinen kaapeli ja valokuitu ovat kaksi eri käsitettä: kuitu on siirtoväline; kaapeli on täydellinen tuote, joka sisältää kuidut, lujuuselementit ja suojavaipat.

Kuinka valokuitukaapelit toimivat

Täydellinen sisäinen heijastus

Perusperiaate takanamiten valokuitukaapelit välittävät dataaon Total Internal Reflection (TIR). Kun valo kulkee väliaineesta, jolla on korkeampi taitekerroin, pienemmän taitekertoimen omaavaan väliaineeseen ja tulokulma ylittää kriittisen kulman, valo heijastuu 100 % takaisin korkeamman -indeksin puolelle sen sijaan, että se kulkisi rajapinnan läpi. Kuituoptiikka hyödyntää juuri tätä periaatetta: ytimen taitekerroin (noin 1,467) on korkeampi kuin suojakuoren (noin 1,460), joten valosignaalit pomppivat jatkuvasti pois ytimen-kuoren rajapinnasta matalissa kulmissa ja etenevät kuitua pitkin.

Keskeinen parametri tässä on numeerinen aukko (NA). NA kuvaa maksimikulma-aluetta, jolla kuitu voi vastaanottaa tulevaa valoa, joka määräytyy ytimen ja kuoren välisen taitekerroineron perusteella. Suurempi NA tarjoaa paremman kytkentätoleranssin, mikä helpottaa kohdistamista valonlähteeseen, mutta lisää myös hajoamista ja huonontaa signaalin laatua. Tämä on yksi kuitusuunnittelun keskeisistä-kauppoja.

Täydellinen optinen viestintälinkki

Ymmärtääkseenmiten valokuitukaapeli toimiitodellisessa{0}}järjestelmässä meidän on tarkasteltava järjestelmän kolmea ydinvaihettaoptinen kuituviestintälinkki.

Lähetin:Sähköiset signaalit koodataan ensin digitaaliseksi pulssisekvenssiksi (0s ja 1s), jonka jälkeen valolähde muuntaa ne optisiksi pulsseiksi. Valonlähteitä on kahta tyyppiä: laserdiodit (LD) ja valo{3}}diodit (LED). Laserdiodit tarjoavat suuremman lähtötehon, kapeamman spektrin leveyden ja nopeammat modulaationopeudet, joten ne sopivat pitkän matkan -nopeisiin{6}}skenaarioihin. LEDit ovat halvempia-, mutta niillä on leveämpi spektrileveys, mikä sopii lyhyen-etäisyyden sovelluksiin.

Kuitu (siirtosegmentti):Kun optiset pulssit tulevat kuituun, ne etenevät ydintä pitkin. Pitkän-etäisyyden lähetyksessä optisia vahvistimia sijoitetaan säännöllisin väliajoin signaalin vaimennuksen kompensoimiseksi. Moderni tiheä aallonpituusjakomultipleksointi (DWDM) optinen kuitutekniikkavoi kuljettaa samanaikaisesti 80-160 eri aallonpituuskanavaa yhdessä kuidussa, joista jokainen kuljettaa itsenäisesti dataa, mikä mahdollistaa yhden -kuidun kapasiteetin terabittiä-per-sekunnissa.

Vastaanotin:Valodetektori (tyypillisesti PIN-valodiodi tai lumivyöryvalodiodi, APD) muuntaa vastaanotetut optiset pulssit takaisin sähköisiksi signaaleiksi, jotka sitten palautetaan alkuperäisiksi tiedoiksi kellon palautus- ja päätöspiirien kautta.

Signaalin vaimennus

Valon läpäisy kuidun läpi ei ole häviötön prosessi. Signaalin vaimennus on keskeinen rajoituskuituoptinen viestintäjärjestelmän suunnittelu.

Vaimennus tulee kolmesta päälähteestä. Ensimmäinen on materiaalin absorptio - jäännöshydroksyyli-ionit (OH⁻) lasissa luovat absorptiopiikkejä tietyillä aallonpituuksilla (noin 1383 nm), minkä vuoksi nykyaikaiset viestintäkuidut käyttävät ensisijaisesti 1310 nm:n ja 1550 nm:n pienihäviöikkunoita. Toinen on Rayleigh-sironta - valon ja lasin mikroskooppisen tiheyden epäsäännöllisyyksien väliset vuorovaikutukset aiheuttavat sirontahäviöitä, mikä on hallitseva häviömekanismi lyhyemmillä aallonpituuksilla. Kolmas on taivutushäviö - liian pienet kuidun taivutussäteet aiheuttavat valosignaalien vuotamista ytimestä.

Viitteeksi nykyisen valtavirran G.652D yksimuotokuidun tyypillinen vaimennus on 0,35 dB/km aallonpituudella 1310 nm ja 0,20 dB/km aallonpituudella 1550 nm. Tämä tarkoittaa, että 1550 nm:ssä signaaliteho putoaa 1 prosenttiin alkuperäisestä tasosta 100 km:n ajon jälkeen. Tämän seurauksena kaukoliikenteen runkolinjat vaativat optisia vahvistimia 80–100 kilometrin välein signaalin regeneroimiseksi.

Kuituoptisten kaapelien tyypit:Yksi-tila vs. moni-tila

Optiset kuidut luokitellaan kahteen pääluokkaan lähetysmuotojen lukumäärän perusteella. Nämävalokuitukaapelityypiteroavat perustavanlaatuisesti fyysisiltä parametreilta, suorituskyvyltään ja sopivilta sovelluksilta.

Yksi{0}}muotokuitu (SMF)

Yksimuotokuidun{0}}ytimen halkaisija on 8–10 mikrometriä ja se sallii vain yhden perusmoodin (LP01) leviämisen. Poistamalla intermodaalinen hajautus, yksi{5}}muotokuitu saavuttaa kaistanleveyden-etäisyystuotteen, joka ylittää paljon monimuotokuitua-, mikä tekee siitä standardivaihtoehdon keskipitkän- ja pitkän matkan-viestinnässä.

Tyypilliset toiminta-aallonpituudet ovat 1310 nm ja 1550 nm, kun valonlähteinä käytetään hajautettuja palautelaserdiodeja (DFB-LD). Lähetysetäisyys voi olla kymmeniä - satoja kilometrejä (optisilla vahvistimilla pidennettävissä tuhansiin kilometreihin). Ulkotakin värikoodi on keltainen.

Yleisiä standardinimikkeitä ovat ITU{0}}T G.652 (normaali yksi-tila), G.655 (ei-nolladispersiota siirretty) ja G.657 (taivutus-epäherkkä, suunniteltu FTTH-käyttöön).

Multi{0}}Mode Fiber (MMF)

Monimuotokuidun ytimen halkaisija on 50 tai 62,5 mikrometriä, mikä mahdollistaa satojen tai tuhansienoptisen kuidun muodotlevitä samaan aikaan. Eri tilat kulkevat eri nopeuksilla ja saapuvat vastaanottimeen eri aikoina - ilmiö nimeltä intermodaalinen hajonta -, joka rajoittaa suoraan moni-moodikuidun lähetysetäisyyttä ja kaistanleveyttä.

Tyypilliset toiminta-aallonpituudet ovat 850 nm ja 1300 nm, joissa käytetään VCSEL:itä (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) tai LEDejä valonlähteinä. Lähetysetäisyydet ovat tyypillisesti muutaman sadan metrin sisällä. Takin värin tunnistamiseen: OM3/OM4 käyttää vesiväriä, OM5 limenvihreää ja OM1/OM2 oranssia.

Valintakriteerit

Joukossaerityyppisiä kuitukaapeleita, ratkaiseva tekijä on lähetysetäisyys. Alle 300 metrin etäisyyksillä -, kuten intra-datakeskusten-yhteisliitännät ja -rakennuksen kaapelointi - monimuotokuitu tarjoaa kustannusetua, koska sen yhteensopivat optiset moduulit ovat huomattavasti halvempia kuin yksimuotoiset-vastaavat. Yli 500 metrin - kampuksen runkoverkot, suurkaupunkiverkot ja pitkät{12}}runkoyhteydet - yksimuotokuitu{14}}on ainoa toimiva vaihtoehto. Kumpikaan tyyppi ei ole optimaalisella etäisyysalueellaan yleisesti ylivoimainen; monitilaratkaisu tuottaa usein alhaisemmat kokonaiskustannukset.

Kuinka valokuitukaapelit valmistetaan

Kuituoptiset kaapelit koostuvat pääasiassa ultra-puhdasta piidioksidista (piidioksidi), joka vedetään hiusta ohuempiin filamentteihin optisten signaalien välittämiseksi. Tyypillinen valokuitukaapeli koostuu useista avainkomponenteista: valosignaaleja kuljettavasta keskisydämestä, sisäisen heijastuksen mahdollistavasta lasikuoresta, kuitua fyysisiltä vaurioilta suojaavasta polymeerisuojapinnoitteesta ja kaapelin mekaanista kestävyyttä lisäävistä lujuuselementeistä, kuten kevlarista tai teräksestä..Valokuitujen tuotantoistuu tarkkuuskemiantekniikan ja optiikan risteyksessä. Koko prosessi on jaettu kahteen vaiheeseen: esimuottien valmistus ja kuidunveto.

Aihioiden valmistus

Aihio on korkean -puhtauden lasitanko, jonka halkaisija on noin 10–20 senttimetriä ja pituus noin 1 metri ja jonka ytimen-verhouksen taitekerroinprofiili on jo muodostettu sisäisesti. Päävalmistusmenetelmiä on neljä: MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition), OVD (Outside Vapor Deposition), VAD (Vapor Axial Deposition) ja PCVD (Plasma Chemical Vapor Deposition).

Esimerkkinä OVD-prosessista: erittäin -puhtaat piitetrakloridi (SiCl4) ja germaniumtetrakloridi (GeCl4) kaasut käyvät läpi hapettumisreaktioita vety-happiliekissä. Tuloksena olevat SiO2- ja GeO2-hiukkaset kerrostuvat pyörivälle kohdesauvalle, muodostaen kerros kerrokselta huokoisen lasikappaleen (kutsutaan "nokiaihioksi"), joka sitten kuivataan korkeassa lämpötilassa, sintrataan ja romahtaa kiinteäksi, läpinäkyväksi esimuotiksi.

Yksi aihio voi tuottaa satoja kilometrejä kuitua. Aihion laatu määrittää kaikki kuidun optisen suorituskyvyn ominaisuudet -, mukaan lukien vaimennus-, dispersio- ja raja-aallonpituus - -parametrit, jotka on lukittu aihiovaiheessa ja joita ei voida korjata vetoprosessin aikana.

Kuitupiirustus

Aihio syötetään vetotorniin, pystysuoraan rakenteeseen, joka on noin 20-30 metriä korkea. Aihion alapää kuumennetaan noin 2 000 asteeseen lasin pehmentämiseksi, joka sitten vedetään painovoiman ja jännityksen ohjauksen alaisena kuiduksi, jonka halkaisija on 125 mikrometriä. Piirustusnopeus voi olla 1 000 - 2 500 metriä minuutissa.

Vetoprosessin aikana kuitu kulkee sisäänrakennetun laserhalkaisijamittarin läpi reaaliaikaista -seurantaa varten ±0,1 mikrometrin tarkkuudella, minkä jälkeen se siirtyy välittömästi pinnoitusvaiheeseen - kaksi kerrosta akrylaattia kovetetaan UV-lampuissa, jolloin kuidun halkaisija on 250 mikrometriä. Koko prosessi pehmentämisestä pinnoitukseen kovettuu alle sekunnissa.

Vetämisen jälkeen kuidulle tehdään tiiviystesti, joka tyypillisesti altistetaan 0,69 GPa:n (noin 1 %:n jännitykselle) jännitykselle mikrohalkeamia sisältävien osien eliminoimiseksi. Näin varmistetaan, että kuljetettavan kuidun mekaaninen luotettavuus täyttää 25 vuoden käyttöiän vaatimuksen.

Kuituoptisen kaapelin edut kupariin verrattuna

Kun verrataan kuitua kupariin,optisen kuidun eduttulee heti selväksi. Alla olevasta taulukosta käy ilmi, miksi kuidusta on tullut suosituin väline nykyaikaisissa verkoissa.

Kuitu ja kupari täydentävät toisiaan, eivät kilpaile. Nykyinen valtavirran verkkoarkkitehtuuri noudattaa "kuitu-reunaan-" -periaatetta - runko- ja koontikerrokset käyttävät kuitua, kun taas pääsykerros (viimeiset muutamat kymmenet metrit päätelaitteisiin) käyttää edelleen kuparia. Tämän arkkitehtonisen mallin ei odoteta muuttuvan perusteellisesti seuraavien 5–10 vuoden aikana.

Optiset kuitusovellukset

Thekäyttö kuituoptiikallekattaa lähes kaikki teollisuudenalat televiestinnästä lääketieteeseen. Tässä ovat tärkeimmät sovellusalueet.

Tietoliikenteen ja Internetin runkoverkko

Maailmanlaajuinen internet toimii kuituverkolla. Merenalaiset kuituoptiset kaapelit ja maanpäälliset pitkän matkan-runkokaapelit yhdistävät maanosia. 5G-tukiasemien etu- ja keskipitkän matkan verkot ovat myös riippuvaisia ​​kuitua, ja jokainen tukiasema vaatii 6–12 kuituydintä. Tässä mittakaavassavalokuitukaapelin käyttö verkoissamuodostaa maailmanlaajuisten yhteyksien selkärangan.

Palvelinkeskukset

Palvelinkeskukset käyttävät OM3/OM4-monimuotokuitua lyhyen-etäisyyden-nopeisiin yhteyksiin sisäisesti. Palvelinkeskusten välillä käytetään yksi-muotokuitua koherentilla optisella viestintätekniikalla, ja aallonpituuskohtaiset nopeudet ovat jo 400 G ja 800 G käyttöönotossa.

FTTH (kuitu kotiin)

FTTH tuo kuidun suoraan kotikäyttäjille käyttämällä PON (Passive Optical Network) -tekniikkaa optisten signaalien jakamiseen useille loppukäyttäjille, mikä mahdollistaa gigabitin{0}}laajakaistayhteyden edulliseen hintaan.

Teollisuus ja anturit

Kuituoptisia antureita käytetään lämpötilan ja jännityksen valvontaan, ja niitä käytetään laajalti öljy- ja kaasuputkissa, virtakaapeleissa, tunnelien palovaroitusjärjestelmissä ja laajamittaisessa rakenteiden kunnon seurannassa.

Lääketieteellinen

Kuituoptinen sovelluslääketieteessä laajenee edelleen - endoskoopit, kirurgiset laserit ja kuvantamisjärjestelmät käyttävät optisia kuituja valaistukseen, kuvantamiseen ja tarkkuuskirurgiseen tukeen.

Armeija ja ilmailu

Kuituoptiikka korvaa kuparin sotilasviestinnässä, dataväylissä ja ilmailujärjestelmissä tarjoten EMI-immuniteetin ja salakuuntelun eston. Kuituoptisia gyroskooppeja käytetään laajalti lentokoneiden ja ohjusten ohjausjärjestelmissä.