Принцип работы оптоволокна: Особенности и принцип работы оптического кабеля

Содержание

Устройство и принцип работы оптического кабеля. | IT блоги

Появление волоконно-оптических кабелей (ВОК) стало революционным событием, позволившим практически мгновенно передавать гигантские объемы информации на любые расстояния. Технология изготовления оптоволоконных кабелей постоянно совершенствуется, давая возможность достигать все больших скоростей передачи данных без значительного удорожания кабельной продукции.

Как устроен оптический кабель

Основой оптоволоконного кабеля являются оптические волокна (ОВ), по которым передается информационный поток. Количество волокон варьируется от одного до нескольких сотен, в зависимости от назначения кабеля. Оптоволокно изготавливается из различных видов стекла с добавками легирующих материалов, изменяющих коэффициент преломления светового луча.

;

Оптическое волокно разделяется на сердцевину и оболочку с разными показателями преломления. Диаметр сердцевины составляет 9 микрометров (одномодовое ОВ), 50 или 62,5 микрометра (многомодовое ОВ). Диаметр первичной оболочки — 125 микрометров. Поверх оболочки наносится тонкий слой специального лака, улучшающий эксплуатационные характеристики стекловолокна.

Волокна группируются в оптические модули, защищающие стеклянные нити от внешних воздействий. Каждый модуль — это пластиковая трубка с волокнами внутри. ВОК может состоять из одного или нескольких модулей, что зависит от общего количества волокон. Модульная группировка ОВ в сочетании с цветовой маркировкой значительно упрощает их идентификацию на концах оптического кабеля.

По центру волоконно-оптического кабеля часто размещается силовой элемент — стеклопластиковый стержень, демпфирующий нагрузки, возникающие при монтаже и в процессе эксплуатации ВОК. В некоторых типах кабеля оптические модули покрываются гидрофобным гелем для защиты от влаги. Поверх гелевого наполнителя укладывается слой тонкой пленки из полиэтилена.

Следующей буферной прослойкой служит полиэтиленовая оболочка, отделяющая оптические модули от армирующей брони. Броня используется в оптических кабелях, предназначенных для прокладки в подземных коммуникациях и грунте. Броневое покрытие может быть:

  • металлическим — из стальной проволоки или ленты;
  • диэлектрическим — из стеклопластиковых прутков или слоя кевларовых нитей.

Бронирование эффективно защищает от грызунов и воздействия опасных механических нагрузок, таких как растяжение и раздавливание.

Первым и наиболее важным рубежом защиты оптоволоконного кабеля является наружная оболочка, изготавливаемая из негорючего полиэтилена повышенной плотности. Надежность внешнего покрытия напрямую влияет на длительность беспроблемной службы ВОК. Поэтому, к качеству его изготовления предъявляются самые жесткие требования.

Как работает оптический кабель

Работа оптического кабеля основана на передаче модулированного светового потока. Преобразование полезного электрического сигнала в свет (и обратное) выполняется в оптическом трансивере, являющемся составной частью оборудования, работающего на оптоволоконных линиях связи. Световой луч, формируемый лазером или полупроводниковым светодиодом, может входить в оптоволокно двумя способами:

  • под углом 0° — одномодовое волокно, длина волны 1300 или 1500 нм;
  • под небольшим углом — многомодовое волокно, длина волны 950 нм.

Лучи света, вошедшие в волокно под разными углами, распространяются в нем по разным траекториям (модам) и на разные расстояния. Свет, входящий под нулевым углом, проходит по центру сердцевины ОВ, образуя только одну моду. Распространение луча, вошедшего под углом, отличается многократными отражениями от оболочки волокна с образованием нескольких мод, достигающих конца оптического кабеля за разное время.

;

ВОК с одномодовыми волокнами обеспечивает большую дальность передачи без усиления/регенерации сигнала, благодаря меньшему затуханию. Сравним:

  • одномодовое волокно — 10 км;
  • многомодовое волокно — 500 м.

Скорость передачи:

  • одномодовое волокно — предел еще не определен. Достигнута максимальная скорость 200 Тбит/сек;
  • многомодовое волокно — до 10 Гбит/сек.

Таким образом, очевидна выгода использования одномодовых волоконно-оптических кабелей на магистральных линиях связи с большими расстояниями между пунктами восстановления полезного сигнала. Многомодовые ВОК можно применять при решении задач по созданию кабельных сетей на ограниченной территории.

Удешевление изготовления оптоволоконной кабельной продукции позволило использовать волоконно-оптические кабели на проектах любого масштаба, начиная от организации небольшой внутриобъектовой сети и «последней мили» до межгородских и международных коммуникационных магистралей. Новым шагом стало распространение технологии оптического мультиплексирования WDM, способной обеспечить работу нескольких десятков дуплексных каналов по одной паре волокон.

Смотрите также:

Принцип действия и типы оптоволоконных датчиков — «Sensoren»

    Волоконно оптические объединяют все основные типы, в зависимости от используемого типа волокна. Подобные компоненты имеют в своей основе так называемое базовое устройство – приёмник и излучатель в едином корпусе, к которому подключается стеклянный или пластиковый оптоволоконный кабель. Свойство оптоволокна передавать свет на большие расстояния без задержек даже при изгибах позволяет установить базовое устройство вдали от места контроля, тем самым делая возможным применение в условиях, когда вблизи места контроля существуют электромагнитные помехи или, например, неприемлемое для базового устройства воздействие температуры или испарений. Тем самым обеспечивается надёжность выходного сигнала датчика, а компактность оптоволоконного кабеля минимизирует необходимое монтажное пространство.

    Базовое устройство оптоволоконного датчика обычно изготавливается в пластиковом, реже – металлическом блочном корпусе, на котором помимо индикации функций находится комплекс элементов для настройки. В отличие от классических оптических датчиков, здесь настройка дальности срабатывания и/или чувствительности осуществляется посредством электроники, обычно по нажатию кнопки – варианты с потенциометром практически не встречаются. Выходной сигнал, в свою очередь, может полностью настраиваться – выходной каскад датчика нередко имеет в своём составе как PNP, так и NPN транзисторы с переключаемой НО/НЗ логикой.

    Само же оптоволокно можно подразделить на два основных типа, которые в своей основе имеют стандартную классификацию оптических датчиков:


  • диффузное, либо отражательное волокно имеет единую головку, в которую сводятся два оптоволоконных кабеля, один из которых подключается к входу приёмника, а второй – к входу излучателя базового устройства. Распространены варианты подобного волокна с единой оплёткой по всей длине оптоволоконного кабеля, что помимо простоты монтажа дополнительно защищает кабель от повреждений.

  • однонаправленное волокно представляет собой два отдельных оптоволоконных кабеля с раздельными головками. Принцип монтажа и действия схож с традиционными барьерными датчиками: установленные соосно головки приёмника и излучателя позволяют определять наличие объекта по пересечению луча.

    Для обоих типов волокна существуют варианты как с прямой (коаксиально с волокном), так и с угловой (под 90° к оси волокна) оптикой, что дополнительно увеличивает спектр применения подобных компонентов даже в сверхкомпактных пространствах. Стандартный диаметр оптоволокна в 2.2 мм и идентичный, а порой даже меньший диаметр головки определяют широчайший спектр возможностей данных компонентов. Единственным принципиальным минусом волоконно оптических датчиков является малая дальность действия по сравнению с традиционными исполнениями: даже мощное базовое устройство и высококачественное однонаправленное оптоволокно с диаметром головки 6 мм. не может обеспечить дальность действия более 2 м. Для диффузных же вариантов значение дальности действия редко превышает 150 мм.

По всем вопросам обращайтесь по телефонам или e-mail.

Принцип действия и типы оптоволоконных датчиков Принцип действия и типы оптоволоконных датчиков

2020-06-02

ул. Девятая Рота дом 7а Россия, Москва +7 (495) 150-48-00 +7 (800) 333-13-53 назад к новостям следующая новость

Принцип роботи оптоволоконної лінії

 

 

Принцип роботи оптоволоконної лінії не складний: джерелом розповсюджуваного по оптичним кабелям світла є світлодіод (або напівпровідниковий лазер), а кодування інформації здійснюється дворівневою зміною інтенсивності світла (0-1). На іншому кінці кабелю приймач детектор перетворює світлові сигнали в електричні.

Для передачі інформації треба не тільки створити світлову хвилю, але і зберегти і направити її в потрібному напрямку. В однорідному середовищі світло (електромагнітна хвиля) поширюється прямолінійно, але на кордоні зміни щільності середовища по оптичним законам відбувається зміна напрямку (

віддзеркалення) або переломлення.

У використовуваних в даний час схемах промінь від світлодіода або лазера впускають в більш щільну середу, обмежену менш щільною. При правильному підборі матеріалів, відбувається ефект повного віддзеркалення (переломлення відсутня). Таким чином, сигнал "йде" всередині замкнутої середовища, проробляючи шлях від джерела сигналу до його приймача.

Інші елементи кабелю тільки спосіб захистити крихке волокно від пошкоджень зовнішнім середовищем різної агресивності. Зовнішній діаметр оболонки уніфікований для всіх типів кабелів і становить 125 ± 2 мкм. В цей розмір також входить і шар лаку, який служить захистом від вологи і пов'язаної з нею корозії.

Первинну механічну міцність і гнучкість конструкції надає захисне покриття з епоксіакріолата, зване буфером, для зручності монтажу його фарбують в різні кольори. Товщина покриття складає 250 ± 15 мкм. Крім цього, для кращого захисту волокна і більш зручного монтажу роз'ємів часто застосовуються конструкції з вторинним буфером діаметром 900 мкм, який без зазору покладений на первинний.

Розглянемо детальніше оптичні параметри волокна. Всі поширені типи волокон характеризуються двома найважливішими параметрами: загасанням і дисперсією.

 

Загасання характеризує втрату потужності переданого сигналу на заданій відстані, і вимірюється в дБ/км, де Децибел - логарифмічний вираз відносини потужності, що виходить з джерела Р1, до потужності, що входить в приймач Р2, дв = 10 * log (P1/P2). Втрати в 3 дБ означає, що половина потужності втрачена. Втрата 10 дБ означає, що тільки 1/10 потужності джерела доходить до приймача, втрати 90%. Волоконно-оптичні лінії як правило здатні нормально функціонувати при втратах в 30 дБ (прийом всього 1/1000 потужності).

Є два принципово різних фізичних механізмів, що викликають даний ефект.

 

Втрати на поглинання. Пов'язані з перетворенням одного виду енергії в інший. Електромагнітна хвиля певної довжини викликає в деяких хімічних елементах зміну орбіт електронів, що, в свою чергу, веде до нагрівання волокна. Природно, що процес поглинання хвилі тим менше, чим менше її довжина, і чим чистіше матеріал волокна.

 

Втрати на розсіювання. Причина зниження потужності сигналу в цьому випадку - означає вихід частини світлового потоку з хвилеводу. Обумовлено це зазвичай неоднорідностями показника заломлення матеріалів. Відомо, що зі зменшенням довжини хвилі втрати розсіювання зростають.

 

Вікна прозорості оптичних волокон

 

 

У теорії, найкращих показників загального загасання можна досягти на перетині кривих поглинання і розсіювання. Реальність дещо складніше, і пов'язана з хімічним складом середовища. У кварцових волокнах (SiO2) кремній і кисень виявляють активність на певній довжині хвилі, і істотно погіршують прозорість матеріалу в двох околицях.

В результаті утворюються три вікна прозорості, в рамках яких загасання має найменше значення.

Найпоширеніші значення довжини хвилі:

  • 0.85 мкм;
  • 1.3 мкм;
  • 1.55 мкм.

Зрозуміло, що саме під такі діапазони розроблені спеціальні гетеролазери, на яких ґрунтуються сучасні волоконно-оптичні лінії зв'язку.

Треба відзначити, що вплив частоти сигналу на реальні технології сьогоднішнього дня дуже велике. Для прикладу, інфрачервоний промінь проходить в волокні з невеликим загасанням 10 км, червоне світло (довжина хвилі 0,65 мкм) пройде лише 0,5 км, а синій (0,43 мкм) взагалі менше 50 м.

 

Оптичний бюджет

Кожен компонент оптоволоконної лінії має свою величину оптичних втрат. Допустимі втрати оптичного сигналу на всьому шляху від передавача до приймача часто називають оптичним бюджетом. Розраховується він на підставі інформації, наданої виробником обладнання.

 

Спрощено можна уявити собі розрахунок оптичного бюджету у вигляді такої схеми:

 

Оптичний бюджет

 

 

Дисперсія

Другий важливий параметр оптичного волокна - дисперсія. Він означає розсіювання в часі спектральних і модових складових оптичного сигналу. Існують три типи дисперсії: міжмодова, матеріальна і міжчастотна.

 

Міжмодова дисперсія обумовлена ​​неідеальністю сучасних джерел світла, які випускають хвилі в декількох напрямках, і далі вони проходять по різних траєкторіях (інакше кажучи - матимуть різні моди). Як наслідок, промені досягнуть приймача в різні моменти часу.


Матеріальна дисперсія обумовлена ​​залежністю показника заломлення від довжини хвилі. Якщо розподіл щільності волокна буде нерівномірним, то хвилі, що проходять шлях по різних траєкторіях, матимуть різні швидкості поширення. І, відповідно, потрапляти в приймач в різний час.


Міжчастотна дисперсія. Джерела випромінювання не ідеальні, і випускають хвилі різної довжини. У кварцовому склі коротші хвилі поширюються швидше, а отже досягають кінця світловоду в різні моменти часу.

Всі види дисперсії негативно впливають на пропускну здатність оптоволоконного каналу. Так як в даний час використовуються тільки цифрові способи передачі інформації, то світловий сигнал надходить з передавача імпульсами. І чим сильніше розмитий за часом імпульс на виході (ефект дисперсії), тим складніше його правильний прийом. Інакше кажучи, дисперсія накладає обмеження на дальність передачі і на верхню частоту переданих сигналів.

При оцінці користуються терміном "смуга пропускання", який розуміється як величина, обернена до розширення імпульсу при його проходженні через оптичне волокно відстані в 1 км. Вимірюється смуга пропускання в МГц*км.

Спеціально потрібно відзначити, що втрати, викликані загасанням і дисперсією, рівномірно розподіляються по всій довжині кабелю. Будь-які перешкоди відсутні, якщо не брати до уваги системи з частотним ущільненням, які в недорогих мережах ще довго не отримають поширення.

Оптоволоконные линии связи: неограниченные возможности

Технологический век дал нам много ярких изобретений и открытий, но, по-видимому, именно возможность передачи информации на большие расстояния внесла один из наиболее весомых вкладов в развитие технологий. Носители, по которым передаются данные, прошли долгий путь развития от медной проволоки столетие назад до современных оптоволоконных кабелей. В результате многократно увеличились объемы информации, скорости и расстояния ее передачи, что расширило пределы технологического развития во всех областях.

Современные оптоволоконные кабели из стекла с малыми потерями обеспечивают практически неограниченную полосу пропускания и имеют массу других преимуществ над ранее созданными носителями. Простейшая оптоволоконная система передачи информации между двумя точками состоит из трех основных элементов: оптического передатчика, оптоволоконного кабеля и оптического приемника (рис. 1).


Рис. 1. Схема простейшей оптоволоконной системы передачи информации

Оптический передатчик преобразует аналоговый или цифровой электрический сигнал в соответствующий ему световой сигнал. Источником света может быть либо светодиод, либо твердотельный лазер. Чаще всего используются источники света с длиной волны 850, 1300 и 1550 нанометров.

Оптоволоконный кабель состоит из одного или нескольких стеклянных волокон, которые для света работают как волноводы (световоды). По конструкции оптоволоконный кабель похож на электрический, но содержит специальные элементы для защиты находящихся внутри него световодов. Соединение многокилометровых кабелей выполняется с помощью разъемных и неразъемных оптических соединителей.

Оптический приемник преобразует световой сигнал в копию исходного электрического сигнала. В качестве чувствительного элемента оптического приемника используется либо лавинный фотодиод, либо (чаще) PIN-фотодиод.

Оптоволоконные системы передачи информации — оптические приемник и передатчик, связанные оптоволоконным кабелем — имеют много преимуществ над обычными медными проводами и коаксиальными кабелями:

  • они могут передавать значительно большее количество информации при большей достоверности, на большей скорости, на большее расстояние. Оптоволоконные системы очень удобны для передачи последовательных цифровых данных.
  • оптоволоконный кабель совершенно не подвержен никаким внешним помехам, включая грозовые разряды, и не проводит электричество. По этой причине он может находиться в прямом контакте с высоковольтным электрооборудованием и силовыми линиями. При использовании оптоволоконных систем не образуются паразитные петли заземления.
  • поскольку кабель изготовлен из стекла, он не восприимчив к действию большинства агрессивных химических веществ, вызывающих коррозию. Его, как правило, можно прокладывать непосредственно в грунте и использовать в корродирующей атмосфере на химических производствах.
  • носителем информации в оптоволоконных кабелях является свет, и поэтому при повреждении кабеля не возникает никаких искр. Оптоволоконные линии могут использоваться даже в наиболее взрывоопасных атмосферах, они не пожароопасны и не несут опасности поражения электрическим током для ремонтного персонала.
  • оптоволоконные кабели не подвержены вредному влиянию природных условий. Их можно прокладывать прямо на телефонных столбах или крепить к ранее проложенным кабелям, не заботясь о внешних наводках.
  • даже многожильный оптоволоконный кабель значительно тоньше и легче медных кабелей с такой же пропускной способностью. Оптоволоконный кабель проще прокладывать, он занимает меньше места в кабельных каналах, а часто может прокладываться и вовсе без них.
  • оптоволоконные кабели практически идеальны для организации защищенных систем передачи информации. Несанкционированное подключение к ним весьма затруднительно и легко обнаруживается. Оптическое волокно не создает вокруг себя никакого электромагнитного излучения.

Почему оптоволоконные системы обладают этими полезными свойствами? Прочитав эту брошюру и поняв принципы, лежащие в основе оптоволоконной технологии, вы получите ответ на этот вопрос. Каждому из трех компонентов оптоволоконных систем — передатчикам, приемникам и кабелям — посвящен свой раздел.

Оптические передатчики

Оптический передатчик преобразует электрический сигнал в модулированный световой поток, предназначенный для передачи по оптоволокну. В зависимости от типа сигнала могут использоваться различные способы модуляции — включение и выключение света или его плавное изменение между заданными уровнями пропорционально входному сигналу. На рис. 2 эти два основных способа модуляции показаны на графиках зависимости интенсивности света от времени.


Рис. 2. Основные методы модуляции светового потока

Чаще всего в оптических передатчиках в качестве источника света используются светоизлучающие диоды (светодиоды) и полупроводниковые лазеры (лазерные диоды). Для использования в оптоволоконных системах эти устройства изготавливаются в корпусах, позволяющих подвести оптоволокно максимально близко к зоне, излучающей свет. Это необходимо для того, чтобы направить как можно больше света в световод. Иногда излучатель оборудован микроскопической сферической линзой, позволяющей собрать весь свет «до последней капли» и направить его в волокно. В некоторых случаях стеклянная нить присоединяется непосредственно к поверхности излучающего свет кристалла.

Чаще всего в оптических передатчиках в качестве источника света используются светоизлучающие диоды (светодиоды) и полупроводниковые лазеры (лазерные диоды).

У светодиодов площадь излучающего элемента довольно велика, и поэтому они излучают не так эффективно, как лазеры. Однако светодиоды широко используются на линиях связи малой и средней длины. Светодиоды гораздо дешевле лазеров, имеют почти линейную зависимость интенсивности излучения от величины электрического тока, интенсивность их излучения слабо зависит от температуры. Лазеры, напротив, имеют очень малую площадь излучающей поверхности и могут отдавать в оптоволокно гораздо большую мощность, чем светодиоды. Они тоже линейны по току, но очень сильно подвержены влиянию температуры и для достижения необходимой стабильности требуют применения более сложных электронных схем. Поскольку лазеры довольно дороги, они в основном используются там, где требуется передача данных на большие расстояния.

Поскольку лазеры довольно дороги, они в основном используются там, где требуется передача данных на большие расстояния.

Применяемые в оптоволоконной связи светодиоды и лазеры излучают в инфракрасной части спектра электромагнитных волн и поэтому их свет невидим человеческим глазом без применения специальных средств. Длина волны излучения выбрана с учетом максимальной прозрачности материала световодов и наивысшей чувствительности фотодиодов. Наиболее часто используемые сейчас длины волн — 850, 1300 и 1550 нанометров. Для всех трех длин волн выпускаются как светодиоды, так и лазеры.

Как уже было сказано, световой поток светодиодов и лазеров модулируется одним из двух способов: «включено-выключено» или линейным непрерывным изменением интенсивности. На рис. 3 показаны упрощенные схемы, реализующие оба способа модуляции. Для управления излучателем используется транзистор, на базу которого поступает предварительно сформированный цифровой сигнал. Максимальная частота модуляции при этом определяется электронной схемой и свойствами излучателя. Со светодиодами легко достижимы частоты в несколько сотен мегагерц, с лазерами — в тысячи мегагерц. На схеме не показан узел термостабилизации (светодиодам он обычно вообще не требуется).

Линейная модуляция осуществляется с помощью схемы на основе операционного усилителя (рис. 3B). Модулирующий сигнал подается на инвертирующий вход усилителя, постоянное смещение поступает на неинвертирующий вход. Здесь также не показана схема термостабилизации.


Рис. 3. Методы модуляции светового потока светодиодов
и полупроводниковых лазеров

В цифровом сигнале, для передачи которого используется модуляция «включено-выключено», логические уровни могут кодироваться различными способами. В наиболее простом из них логической единице соответствует наличие света, логическому нулю — его отсутствие. Кроме того, применяются широтно-импульсная и частотно-импульсная модуляция. При широтно-импульсной модуляции используется непрерывный поток импульсов, двумя различными длительностями которых кодируются логические уровни сигнала. При частотно-импульсной модуляции все импульсы имеют одинаковую длительность, но частота их следования меняется в зависимости от передаваемого логического уровня.


Рис 4. Различные методы оптической передачи аналоговой
и цифровой информации

В цифровом сигнале, для передачи которого используется модуляция «включено-выключено», логические уровни могут кодироваться различными способами. В наиболее простом из них логической единице соответствует наличие света, логическому нулю — его отсутствие.

Для аналоговой модуляции также существует несколько методов. Простейший из них — линейная модуляция, где интенсивность источника света прямо связана с величиной передаваемого сигнала. В других методах передаваемый сигнал вначале модулирует высокочастотную несущую (а в некоторых случаях и несколько несущих), а затем этот сложный сигнал управляет яркостью источника света.

На рис. 4 показана зависимость интенсивности света от времени для этих методов модуляции.

Частота света (который тоже является электромагнитным излучением) весьма велика — порядка миллионов гигагерц. Полоса частот излучателей света (лазеров и светодиодов) достаточно широка, но, к сожалению, современная технология не дает возможности селективного использования этой полосы, как это делается при передаче информации по радио. В оптическом передатчике происходит включение и выключение всей полосы частот сразу, как это делалось в первых искровых передатчиках на заре эры радио. Со временем ученые преодолеют это препятствие и станет возможной «когерентная передача», что определит дальнейшее развитие оптоволоконной технологии.

Световоды

Ввод света в оптическое волокно

Чем выше мощность излучателя, тем больше света попадает в световод.

После того, как передатчик преобразовал входной электрический сигнал в нужным образом модулированный свет, его необходимо ввести в оптическое волокно. Как уже говорилось, для этого существует два способа: прямое соединение излучающего элемента со световодом, и размещение световода в непосредственной близости от излучателя. При использовании второго способа количество света, которое попадет в оптоволокно, зависит от четырех факторов: интенсивности излучения, площади излучающего элемента, входного угла световода и потерь на отражение и рассеяние. Кратко рассмотрим все эти факторы.

Интенсивность излучения светодиода или лазера зависит от его конструкции и обычно выражается как общая мощность излучения при определенном токе. Иногда эта цифра указывается как реальная мощность, передаваемая в оптоволокно конкретного типа. При прочих равных условиях чем выше мощность излучателя, тем больше света попадает в световод.

Отношение площадей излучающего элемента и сердцевины оптоволокна определяет долю общей мощности, которая попадает в световод — чем меньше это отношение, тем больше света окажется в волокне.

Только тот свет, который вошел в оптоволокно под углом, меньшим или равным входному, будет распространяться по световоду.

Входной угол оптоволокна характеризуют его числовой апертурой (numerical aperture, NA), которая определяется как синус половины входного угла. Типовые значения NA лежат в диапазоне от 0,1 до 0,4, что соответствует входному углу от 11 до 46 градусов. Только тот свет, который вошел в оптоволокно под углом, меньшим или равным входному, будет распространяться по световоду.

Потери. Кроме потерь от загрязнений на поверхности оптоволокна, всегда существуют неизбежные потери интенсивности света, вызванные отражением на входе в световод и выходе из него. Это так называемые френелевские потери (по имени французского физика О. Ж. Френеля), которые составляют примерно 4% общей интенсивности на каждой границе раздела стекло-воздух. При необходимости для снижения этих потерь на соединяемые стеклянные поверхности наносят немного специального оптического геля.

Типы оптического волокна

Сейчас используется два типа оптического волокна: со ступенчатым и плавным изменением показателя преломления вдоль радиуса (профилем). На рис. 5 показано, что свет распространяется по таким световодам по-разному.


Рис 5. Распространение света по оптоволокну со ступенчатым и плавным профилями показателя преломления

Оптоволокно характеризуется толщиной сердцевины и оболочки, которую выражают в микрометрах. Сейчас наиболее распространены три типоразмера оптоволокна общего назначения, хотя существуют и другие типоразмеры для специальных применений. Это многомодовые световоды 50/125 и 62,5/125 мкм и одномодовые 8-10/125 мкм.

Как показано на рисунке, волокно со ступенчатым профилем показателя преломления состоит из сердцевины, изготовленной из стекла с малыми оптическими потерями, окруженной стеклянной оболочкой с более низким показателем преломления. Такое различие показателей преломления заставляет свет отражаться от границы между сердцевиной и оболочкой на всем пути распространения. Оптоволокно с плавным профилем состоит из стекла только одного сорта, но оно обработано так, что его показатель преломления плавно уменьшается от центра к периферии. В результате световод, подобно протяженной линзе, постоянно отклоняет распространяющийся по нему свет к центру.

Оптоволокно характеризуется толщиной сердцевины и оболочки, которую выражают в микрометрах. Сейчас наиболее распространены три типоразмера оптоволокна общего назначения, хотя существуют и другие типоразмеры для специальных применений. Это многомодовые световоды 50/125 и 62,5/125 мкм и одномодовые 8-10/125 мкм. Первые два типоразмера обычно используются вместе со светодиодными излучателями на линиях передачи малой и средней длины. Оптоволокно с сердцевиной 8-10 мкм чаще всего применяется в телекоммуникационных системах большой протяженности совместно с лазерными оптическими передатчиками.

Потери в оптическом волокне

Кроме потерь интенсивности сигнала в соединении излучателя и световода, потери происходят также и при распространении света по оптоволокну. Сердцевина оптического волокна делается из сверхчистого стекла с очень низкими потерями. Стекло должно иметь высочайшую прозрачность, поскольку по изготовленному из него волокну свет должен проходить километры. Давайте посмотрим на обычное оконное стекло. Оно прозрачно, но только потому, что его толщина всего 3-4 мм. Достаточно взглянуть на торец стеклянной пластины и увидеть его зеленую окраску, чтобы понять, как сильно она поглощает свет даже на длине в десяток-другой сантиметров. Легко представить, как же мало света пройдет через стометровую толщу оконного стекла!

Большинство световодов общего назначения дает на длине волны 850 нм потери от 4 до 6 децибел на километр (то есть на одном километре теряется от 60 до 75% света). На длине волны 1300 нм по- тери снижаются до 3-4 дБ/км (50-60%), а на 1550 нм они еще меньше — не является чем-то необычным значение 0,5 дБ/км (10%).

Большинство световодов общего назначения дает на длине волны 850 нм потери от 4 до 6 децибел на километр (то есть на одном километре теряется от 60 до 75% света). На длине волны 1300 нм потери снижаются до 3-4 дБ/км (50-60%), а на 1550 нм они еще меньше — не является чем-то необычным значение 0,5 дБ/км (10%).

Основной причиной потерь является поглощение света неоднородностями и рассеяние на них. Другая причина потерь в оптоволокне — его чрезмерный изгиб, при котором часть света выходит из сердцевины. Во избежание таких потерь радиус изгиба оптоволоконного кабеля при прокладке должен быть не менее 2,5 см (а чаще и еще больше).

Полоса пропускания оптоволокна

Однако полоса пропускания оптоволокна для модулированного сигнала ограничена, и тем сильнее, чем длиннее световод.

Чем меньше мод в излучении, тем шире полоса пропускания оптоволокна.

Перечисленные выше потери не зависят от частоты модуляции, то есть уровень потерь в 3 дБ означает, что до получателя не дойдет 50% света независимо от того, модулирован он сигналом 10 Гц или 100 МГц. Однако полоса пропускания оптоволокна для модулированного сигнала ограничена, и тем сильнее, чем длиннее световод. Причину этого ограничения поясняет рис. 6. Свет, вошедший в оптоволокно под малым углом к его оси (M1) распространяется по более короткому пути, чем тот, который входит под углом, близким к предельному входному (M2). В результате различные лучи, исходящие от одного и того же источника (называемые модами), приходят к даль- нему концу световода не одновременно, что приводит к эффекту размывания — уширению коротких импульсов. Это ограничивает максимальную частоту сигнала, передаваемого по оптоволоконному кабелю. Говоря кратко, чем меньше мод в излучении, тем шире полоса пропускания оптоволокна. Чтобы уменьшить число распространяющихся мод, сердцевину волокна делают тоньше. Одномодовое волокно с диаметром сердцевины от 8 до 10 мкм имеет значительно более широкую полосу пропускания, чем многомодовые волокна с диаметром 50 и 62,5 мкм, по которым может одновременно распространяться большое число мод излучения.


Рис. 6. Полоса частот модуляции, пропускаемых оптоволокном,
ограничивается существованием различных путей распространения света

Типовая полоса пропускания для обычных волоконных световодов составляет несколько мегагерц на километр для волокна с очень большим диаметром сердцевины, несколько сотен мегагерц на километр для стандартного многомодового волокна и тысячи мегагерц для одномодовых оптических волокон. С ростом длины кабеля полоса пропускания пропорционально снижается. Например, кабель, имеющий полосу 500 МГц на длине 1 км, при длине 2 км сможет обеспечить полосу в 250 МГц, а при 5 км — лишь в 100 МГц.

Очень широкая полоса пропускания одномодовых световодов позволяет практически не обращать внимания на их длину. Однако для многомодовых волокон этот фактор важен, поскольку нередко частотный диапазон передаваемых сигналов превосходит полосу пропускания кабелей.

Конструкция оптоволоконного кабеля

Типовая полоса пропускания для обычных волоконных световодов составляет несколько мегагерц на километр для волокна с очень большим диаметром сердцевины, несколько сотен мегагерц на километр для стандартного многомодового волокна и тысячи мегагерц для одномодовых оптических волокон. С ростом длины кабеля полоса пропускания пропорционально снижается.

Оптоволоконные кабели выпускаются разного диаметра и конструкции. Как и в случае коаксиальных, конструкция оптоволоконных кабелей определяется его предназначением. Внешне оптоволоконный кабель похож на коаксиальный. На рис. 7 схематично показано устройство стандартного оптоволоконного кабеля.

Оптоволокно имеет защитное покрытие, предохраняющее его от повреждений в производственном процессе. Оно помещается в облегающую его поливинилхлоридную трубку, где может свободно изгибаться при прокладке вокруг углов стен и в кабельных каналах.

Эта трубка окружена оплеткой из кевлара, принимающей на себя основное механическое усилие, которое действует на кабель при прокладке. Наконец, внешняя оболочка из поливинилхлорида защищает весь кабель и предотвращает проникновение влаги внутрь.

Кабели такой конструкции пригодны для прокладки внутри зданий, где не требуется значительная стойкость к внешним воздействиям. Существуют кабели практически для любого варианта прокладки, например, для прямой укладки в грунт, армированные устойчивой к грызунам внешней оболочкой из стали и сертифицированные UL негорючие кабели для прокладки над фальшпотолками. Выпускаются и многожильные кабели с цветовой кодировкой.


Рис. 7. Устройство стандартного оптоволоконного кабеля

Другие типы световодов

Пластмассовые световоды применяются для передачи данных на очень малые расстояния внутри электронного оборудования совместно с недорогими светодиодами. Одно из стандартных применений таких световодов — оптическая развязка цепей управления в высоковольтных источниках питания.

Еще два типа световодов — кварцевые с сердцевиной очень большого диаметра и целиком изготовленные из пластмассы — обычно не используются в телекоммуникациях. Кварцевые световоды используются для передачи мощных световых потоков, например в лазерной хирургии. Пластмассовые световоды применяются для передачи данных на очень малые расстояния внутри электронного оборудования совместно с недорогими светодиодами. Одно из стандартных применений таких световодов — оптическая развязка цепей управления в высоковольтных источниках питания.

Оптические соединители

С помощью оптических соединителей оптоволоконные кабели подключаются к оборудованию или соединяются между собой. Они похожи на электрические разъемы по функциям и внешнему виду, но требу- ют очень высокой точности изготовления. В оптическом разъемном соединении необходимо прецизионное совмещение и центровка сердцевины обоих волокон. Поскольку их диаметр весьма мал (например, 50 мкм), требования к точности очень высоки: допуск имеет порядок одного микрона.

Сейчас используются оптические разъемы множества различных типов. Разъем SMA, использовавшийся еще до изобретения одномодовых волокон, до недавнего времени оставался наиболее распространенным. На рис. 8 показаны детали конструкции этого разъема.


Рис. 8. Конструкция разъема SMA

Следует иметь в виду, что многомодовые разъемы ST будут корректно работать только с многомодовыми световодами.

Для многомодовых волокон сейчас чаще всего применяется разъем ST, разработанный компанией AT&T. В нем применен байонетный фиксатор, а общие потери меньше, чем в SMA. Подобранная пара разъемов ST обеспечивает уровень потерь менее 1 дБ (20%) и не требует дополнительных направляющих втулок или других подобных элементов. Специальный выступ, не дающий разъему поворачиваться, гарантирует, что при соединении оптические волокна всегда будут устанавливаться в одно и то же положение друг относительно друга, что обеспечивает стабильность характеристик разъемного соединения.

Разъемы ST выпускаются как для многомодовых, так и для одномодовых световодов — основное различие состоит в величине допусков. Следует иметь в виду, что многомодовые разъемы ST будут корректно работать только с многомодовыми световодами. Более дорогие одномодовые разъемы ST можно использовать как с одномодовыми, так и с многомодовыми световодами. Процедуры установки разъемов ST и SMA на кабель сходны и занимают примерно одинаковое время. На рис. 9 показаны основные элементы ставшего промышленным стандартом разъема ST.


Рис. 9. Основные элементы разъема ST

Неразъемные соединения световодов

Хотя для соединения двух световодов можно использовать оптические разъемы, существуют другие методы, обеспечивающие значительно более низкие потери. Два наиболее распространенных — механическое соединение и сварное соединение. Оба обеспечивают уровень потерь от 0,15 до 0,1 дБ (3-2%).

Для механического соединения концы световодов освобождаются от оболочек, их торцы очищаются и точно совмещаются с использованием специального механического приспособления. На место соединения наносится оптический гель, снижающий до минимума потери на отражение. Совмещенные концы световодов удерживаются на месте запорным механизмом.

Оптические приемники

Основная задача оптического приемника — преобразование модулированного светового потока, поступающего из оптоволокна, в копию исходного электрического сигнала, поданного на передатчик.

Основная задача оптического приемника — преобразование модулированного светового потока, поступающего из оптоволокна, в копию исходного электрического сигнала, поданного на передатчик. В качестве детектора в приемнике обычно используется PIN- или лавинный фотодиод, который устанавливается на оптическом соединителе (подобном используемому для источников света). У фотодиодов обычно довольно большой чувствительный элемент (несколько микрометров в диаметре), поэтому требования к точности позиционирования оптического волокна не такие жесткие, как для передатчиков.

Важно использовать приемники только с тем типоразмером волокна, для которого они предназначены, иначе может возникнуть перегрузка усилителя.

Интенсивность излучения, выходящего из оптоволокна, достаточно мала, и в оптических приемниках устанавливаются внутренние усилители с большим коэффициентом усиления. Поэтому важно использовать приемники только с тем типоразмером волокна, для которого они предназначены, иначе может возникнуть перегрузка усилителя. Если, например, пара передатчик-приемник, предназначенная для одномодового оптоволокна, используется с многомодовым, то в приемник поступит слишком много света, что вызовет его насыщение и серьезное искажение выходного сигнала. Аналогично, при использовании одномодового волокна с передатчиком и приемником, рассчитанными на многомодовое, до приемника дойдет мало света, и выходной сигнал будет содержать много шума или вообще не появится. Единственный случай, когда несоответствие приемника и передатчика типу волокна может оказаться полезным — чрезмерные потери в световоде. Тогда дополнительные 5-15 дБ, которые даст замена одномодового волокна на многомодовое, спасут положение и позволят получить работоспособную систему. Однако это экстремальная ситуация, и такое решение не рекомендуется для нормального применения.

Следует помнить, что электронные приемники сигнала, в отличие от оптоволоконного кабеля, восприимчивы к электромагнитным помехам, поэтому при работе с ними следует использовать стандартные меры защиты — экранирование, заземление и т.п.

Как и передатчики, оптические приемники выпускаются в аналоговом и цифровом вариантах. В них обоих используется аналоговый предварительный усилитель, за которым включен аналоговый или цифровой выходной каскад.

На рис. 10 показана функциональная схема простого аналогового оптического приемника. Первый каскад — операционный усилитель, включенный как преобразователь тока в напряжение. Слабый ток, генерируемый фотодиодом, преобразуется здесь в напряжение, амплитуда которого обычно составляет несколько милливольт. В следующем каскаде, представляющим собой простой усилитель напряжения, сигнал усиливается до необходимого уровня.

Функциональная схема цифрового оптического приемника показана на рис. 11. Как и в случае аналогового приемника, первый каскад представляет собой преобразователь тока в напряжение. Его выходной сигнал поступает на компаратор напряжения, который выдает чистый цифровой сигнал с малой длительностью перепадов. Регулятор уровня срабатывания компаратора, если он есть, используется для точной настройки симметрии восстановленного цифрового сигнала.

Часто в приемники для наиболее точного воспроизведения входного сигнала добавляются дополнительные каскады, которые работают как линейные усилители для коаксиальных кабелей, преобразователи протоколов и т.п. Следует помнить, что электронные приемники сигнала, в отличие от оптоволоконного кабеля, восприимчивы к электромагнитным помехам, поэтому при работе с ними следует использовать стандартные меры защиты — экранирование, заземление и т.п.


Рис. 10. Простейший аналоговый оптический приемник


Рис. 11. Простейший цифровой оптический приемник

Разработка оптоволоконной системы

При разработке оптоволоконной системы следует учитывать множество факторов, каждый из которых вносит свой вклад в конечную цель — гарантию того, что в приемник поступит достаточное количество света. Без достижения этой цели система не будет работать правильно. На рис. 12 указаны многие из этих факторов.


Рис. 12. Важнейшие параметры, которые необходимо учитывать
при разработке оптоволоконной системы

При инженерной разработке оптоволоконной системы рекомендуется использовать следующую пошаговую процедуру:

  1. Выбор приемника и передатчика, подходящих для того типа сигнала, который необходимо передавать (аналоговый, цифровой, видеосигнал, RS-232, RS-422, RS-485 и т.д.).
  2. Определение имеющихся источников питания (переменное напряжение, постоянное напряжение и др.).
  3. Определение, при необходимости, специальных требований (например, импедансов, полосы пропускания, специальных разъемов и диаметра волокна и т.п.).
  4. Расчет общих потерь в системе (в децибелах): суммирование потерь в кабелях, в разъемных и неразъемных соединениях. Эти характеристики можно получить у производителей электронных устройств и оптоволоконных кабелей.
  5. Сравнение полученной цифры потерь с допустимым значением уровня сигнала на входе приемника. Следует подстраховаться, добавив запас как минимум в 3 дБ на всю систему.
  6. Проверка соответствия полосы пропускания системы потребностям передачи нужного типа сигнала. Если расчеты покажут, что полоса пропускания окажется недостаточной для передачи сигнала на нужное расстояние, то следует либо выбрать другой приемник и передатчик (другую длину волны), либо рассмотреть возможность использования более дорогого и качественного оптоволоконного кабеля с меньшими потерями.

Контрольный перечень параметров, необходимых для разработки оптоволоконной системы передачи данных

Назначение (краткое описание задачи):
Параметры аналогового сигнала:
Входное напряжение  
Входной импеданс  
Выходное напряжение  
Выходной импеданс  
Отношение сигнал/шум  
Способ связи (по постоянному или переменному току)  
Полоса пропускания  
Разъемы  
Другие данные  
Параметры цифрового сигнала:
Тип интерфейса (RS-232, 422, 485 и т.п.)
Скорость передачи данных
Способ связи (по постоянному или переменному току)  
Допустимая частота битовых ошибок  
Разъемы  
Другие данные  
Требования к источнику питания:
Напряжение  
Ток  
Переменное или постоянное напряжение  
Разъемы  
Другие данные  

Требования к оптоволоконной линии:
Длина линии  
Длина волны света  
Допустимые потери  
Оптические разъемы  
Тип оптоволокна  
Диаметр оптоволокна  
Условия монтажа  
Общие требования:
Размер корпуса  
Способ монтажа  
Характеристики окружающей среды  
Диапазон рабочих температур  
Диапазон температур хранения  
Другие данные  
Дополнительные комментарии:

ВОЛС, всё про волоконно-оптические линии связи!

Самой высокой пропускной способностью среди всех существующих средств связи обладает оптическое волокно (диэлектрические волноводы). Волоконно-оптические кабели применяются для создания ВОЛС – волоконно-оптических линий связи, способных обеспечить самую высокую скорость передачи информации (в зависимости от типа используемого активного оборудования скорость передачи может составлять десятки гигабайт и даже терабайт в секунду).

Кварцевое стекло, являющееся несущей средой ВОЛС, помимо уникальных пропускных характеристик, обладает ещё одним ценным свойством – малыми потерями и нечувствительностью к электромагнитным полям. Это выгодно отличает его от обычных медных кабельных систем.

Данная система передачи информации, как правило, используется при постройке рабочих объектов в качестве внешних магистралей, объединяющих разрозненные сооружения или корпуса, а также многоэтажные здания. Она может использоваться и в качестве внутреннего носителя структурированной кабельной системы (СКС), однако законченные СКС полностью из волокна встречаются реже – в силу высокой стоимости строительства оптических линий связи.

Применение ВОЛС позволяет локально объединить рабочие места, обеспечить высокую скорость загрузки Интернета одновременно на всех машинах, качественную телефонную связь и телевизионный приём.

Преимущества ВОЛС

При грамотном проектировании будущей системы (этот этап подразумевает решение архитектурных вопросов, а также выбор подходящего оборудования и способов соединения несущих кабелей) и профессиональном монтаже применение волоконно-оптических линий обеспечивает ряд существенных преимуществ:

  • Высокую пропускную способность за счёт высокой несущей частоты. Потенциальная возможность одного оптического волокна – несколько терабит информации за 1 секунду.
  • Волоконно-оптический кабель отличается низким уровнем шума, что положительно сказывается на его пропускной способности и возможности передавать сигналы различной модуляции.
  • Пожарная безопасность (пожароустойчивость). В отличие от других систем связи, ВОЛС может использоваться безо всяких ограничений на предприятиях повышенной опасности, в частности на нефтехимических производствах, благодаря отсутствию искрообразования.
  • Благодаря малому затуханию светового сигнала оптические системы могут объединять рабочие участки на значительных расстояниях (более 100 км) без использования дополнительных ретрансляторов (усилителей).

  • Информационная безопасность. Волоконно-оптическая связь обеспечивает надёжную защиту от несанкционированного доступа и перехвата конфиденциальной информации. Такая способность оптики объясняется отсутствием излучений в радиодиапазоне, а также высокой чувствительностью к колебаниям. В случае попыток прослушки встроенная система контроля может отключить канал и предупредить о подозреваемом взломе. Именно поэтому ВОЛС активно используют современные банки, научные центры, правоохранительные организации и прочие структуры, работающие с секретной информацией.
  • Высокая надёжность и помехоустойчивость системы. Волокно, будучи диэлектрическим проводником, не чувствительно к электромагнитным излучениям, не боится окисления и влаги.
  • Экономичность. Несмотря на то, что создание оптических систем в силу своей сложности дороже, чем традиционных СКС, в общем итоге их владелец получает реальную экономическую выгоду. Оптическое волокно, которое изготавливается из кварца, стоит примерно в 2 раза дешевле медного кабеля, дополнительно при строительстве обширных систем можно сэкономить на усилителях. Если при использовании медной пары ретрансляторы нужно ставить через каждые несколько километров, то в ВОЛС это расстояние составляет не менее 100 км. При этом скорость, надёжность и долговечность традиционных СКС значительно уступают оптике.

  • Срок службы волоконно-оптических линий составляет полрядка четверти века. Через 25 лет непрерывного использования в несущей системе увеличивается затухание сигналов.
  • Если сравнивать медный и оптический кабель, то при одной и той же пропускной способности второй будет весить примерно в 4 раза меньше, а его объём даже при использовании защитных оболочек будет меньше, чем у медного, в несколько раз.
  • Перспективы. Использование волоконно-оптических линий связи позволяет легко наращивать вычислительные возможности локальных сетей благодаря установке более быстродействующего активного оборудования, причем без замены коммуникаций.

Область применения ВОЛС

Как уже было сказано выше, волоконно-оптические кабели (ВОК) используются для передачи сигналов вокруг (между) зданий и внутри объектов. При построении вешних коммуникационных магистралей предпочтение отдаётся оптическим кабелям, а внутри зданий (внутренние подсистемы) наравне с ними используется традиционная витая пара. Таким образом, различают ВОК для внешней (outdoor cables) и внутренней (indoor cables) прокладки.

К отдельному виду относятся соединительные кабели: внутри помещений они используются в качестве соединительных шнуров и коммуникаций горизонтальной разводки – для оснащения отдельных рабочих мест, а снаружи – для объединения зданий.

Монтаж волоконно-оптического кабеля осуществляется с помощью специальных инструментов и приборов.

Технологии соединения ВОЛС

Длина коммуникационных магистралей ВОЛС может достигать сотен километров (например, при постройке коммуникаций между городами), тогда как стандартная длина оптических волокон составляет несколько километров (в том числе потому, что работа со слишком большими длинами в некоторых случаях весьма неудобна). Таким образом, при построении трассы необходимо решить проблему сращивания отдельных световодов.

Различают два типа соединений: разъёмные и неразъёмные. В первом случае для соединения применяются оптические коннекторы (это связано с дополнительными финансовыми затратами, и, кроме того, при большом количестве промежуточных разъёмных соединений увеличиваются оптические потери).

Для неразъёмного соединения локальных участков (монтажа трасс) применяются механические соединители, клеевое сращивание и сваривание волокон. В последнем случае используют аппараты для сварки оптических волокон. Предпочтение тому или иному методу отдаётся с учётом назначения и условий применения оптики.

Наиболее распространённой является технология склеивания, для которой используется специальное оборудование и инструмент и которая включает несколько технологических операций.

В частности, перед соединением оптические кабели проходят предварительную подготовку: в местах будущих соединений удаляются защитное покрытие и лишнее волокно (подготовленный участок очищается от гидрофобного состава). Для надёжной фиксации световода в соединителе (коннекторе) используется эпоксидный клей, которым заполняется внутреннее пространство коннектора (он вводится в корпус разъёма с помощью шприца или дозатора). Для затвердевания и просушки клея применяется специальная печка, способная создать температуру 100 град. С.

После затвердевания клея излишки волокна удаляются, а наконечник коннектора шлифуется и полируется (качество скола имеет первостепенное значение). Для обеспечения высокой точности выполнение данных работ контролируется с помощью 200-кратного микроскопа. Полировка может осуществляться вручную или с помощью полированной машины.

Самое качественное соединение с минимальными потерями обеспечивает сваривание волокон. Этот метод используется при создании высокоскоростных ВОЛС. Во время сваривания происходит оплавление концов световода, для этого в качестве источника тепловой энергии могут использоваться газовая горелка, электрический заряд или лазерное излучение.

Каждый из методов имеет свои преимущества. Лазерная сварка благодаря отсутствию примесей позволяет получать самые чистые соединения. Для прочной сварки многомодовых волокон, как правило, используют газовые горелки. Наиболее распространенной является электрическая сварка, обеспечивающая высокую скорость и качество выполнения работ. Длительность плавления различных типов оптовых волокон отличается.

Для сварочных работ применяются специальный инструмент и дорогостоящее сварочное оборудование – автоматическое или полуавтоматическое. Современные сварочные аппараты позволяют контролировать качество сварки, а также проводить тестирование мест соединения на растяжение. Усовершенствованные модели оснащены программами, которые позволяют оптимизировать процесс сварки под конкретный тип оптоволокна.

После сращения место соединения защищается плотно насаживаемыми трубками, которые обеспечивают дополнительную механическую защиту.

Ещё один метод сращивания элементов оптоволокна в единую линию ВОЛС – механическое соединение. Этот способ обеспечивает меньшую чистоту соединения, чем сваривание, однако затухание сигнала в данном случае всё-таки меньше, чем при использовании оптических коннекторов.

Преимущество этого метода перед остальными состоит в том, что для проведения работ используются простые приспособления (например, монтажный столик), которые позволяют проводить работы в труднодоступных местах или внутри малогабаритных конструкций.

Механическое сращивание подразумевает использование специальных соединителей – так называемых сплайсов. Существует несколько разновидностей механических соединителей, которые представляют собой вытянутую конструкцию с каналом для входа и фиксации сращиваемых оптических волокон. Сама фиксация обеспечивается с помощью предусмотренных конструкцией защёлок. После соединения сплайсы дополнительно защищаются муфтами или коробами.

Механические соединители могут использоваться неоднократно. В частности, их применяют во время проведения ремонтных или восстановительных работ на линии.

ВОЛС: типы оптических волокон

Оптические волокна, используемые для построения ВОЛС, отличаются по материалу изготовления и по модовой структуре света. Что касается материала, различают полностью стеклянные волокна (со стеклянной сердцевиной и стеклянной оптической оболочкой), полностью пластиковые волокна (с пластиковой сердцевиной и оболочкой) и комбинированные модели (со стеклянной сердцевиной и с пластиковой оболочкой). Самую лучшую пропускную способность обеспечивают стеклянные волокна, более дешёвый пластиковый вариант используют в том случае, если требования к параметрам затухания и пропускной способности не критичны.

По типу путей, которые проходит свет в сердцевине волокна, различают одно- и многомодовые волокна (в первом случае распространяется один луч света, во втором – несколько: десятки, сотни и даже тысячи).

  • Одномодовые волокна (SM) отличаются малым диаметром сердцевины, по которой может пройти только один пучок света.

  • Многомодовые волокна (MM) отличаются большим диаметром сердцевины и могут быть со ступенчатым или градиентным профилем. В первом случае пучки света (моды) расходятся по различным траекториям и поэтому приходят к концу световода в различное время. При градиентном профиле временные задержки различных лучей практически полностью исчезают, и моды идут плавно благодаря изменению скорости распространения света по волнообразным спиралям.

 

Все современные ВОК (и одно-, и многомодовые), с помощью которых создаются линии передачи данных, имеют одинаковый внешний диаметр – 125 мкм. Толщина первичного защитного буферного покрытия составляет 250 мкм. Толщина вторичного буферного покрытия составляет 900 мкм (используется для защиты соединительных шнуров и внутренних кабелей). Оболочка многоволоконных кабелей для удобства работы окрашивается в различные цвета (для каждого волокна).

 

Диагностика волоконно-оптических линий связи

Основным инструментом для диагностики волоконно-оптических линий связи является оптический рефлектометр. Пример работы с таким прибором смотрите в следующем видео:

Посмотреть примеры оборудования и статьи по теме ВОЛС на fibertop.ru.

 

Примеры оборудования

 

Материал подготовлен
техническими специалистами компании “СвязКомплект”.

Принцип работы оптического рефлектометра (OTDR)

  1. Главная

Оптический рефлектометр (OTDR) – это измерительный прибор, предназначенный для определения расстояния до неоднородностей показателя преломления оптического волокна: сварных соединений, макро изгибов, коннекторов, обрывов и т д. Его работа основана на детектирование отраженных сигналов вследствие Релеевского рассеяния и Френелевского отражения.

В ходе диагностики оптического волокна, оптический рефлектометр посылает в него зондирующий импульс.

Зондирующий импульс – это световой импульс определенной амплитуды и длительности. Его характеристики во многом определяют максимальную протяженность измеряемой линии и разрешающую способность измерения.

Одновременно с запуском зондирующего импульса, рефлектометр начинает отсчет времени. Распространяясь по оптическому волокну, импульс сталкивается с различными препятствиями (повреждениями, неоднородностями), от которых происходит отражение части  сигнала. Отраженный сигнал распространяется в обратном направлении и время его поступления на вход рефлектометра фиксируется.

Все неоднородности показателя преломления в рефлектометрии называются “События”. В свою очередь, события делятся на отражающие (вызванные Френелевским отражением) и неотражающие (вызванные Релеевским рассеянием)

Рисунок 1 – Структурная схема оптического рефлектометра

В результате, время распространения сигнала до повреждения вычисляется как разделенное на два время прохождения импульса до повреждения и обратно.

Расстояние до события вычисляется по формуле: L = T * V, где Где T – время распространения импульса до события; V - скорость распространения импульса

Скорость распространения импульса в волокне вычисляется из формулы

Рисунок 2 – Формула определения показателя преломления

Используя показатель преломления n (выставляется в рефлектометре) и скорость распространения света в вакууме C0 (константа).

Результат измерения рефлектометр представляет в виде графика, называемого рефлектограммой.

Рисунок 3 – Типичная рефлектограмма

Подведя курсор к какому-либо событию, на нижней оси можно увидеть на каком расстоянии от точки измерения оно находится.

Чаще всего, результаты измерений в численном виде приводятся и в таблице событий, в которой указываются для каждого события:

  • номер события
  • потери, дБ (на отражающих и не отражающих событиях)
  • отражение, дБ (на отражающих событиях)
  • расстояние до события, км

Рисунок 4 – Оптическая рефлектограмма с таблицей событий

 

Однако в таблицу в автоматическом режиме попадают только идентифицированные рефлектометром события. Вместе с тем, в ряде случаев рефлектометр не способен идентифицировать сварное соединение с малыми потерями, и приходится находить его на рефлектограмме в ручном режиме. Программное обеспечение некоторых рефлектометров позволяет добавить в таблицу найденное в ручном режиме сварное соединение.

Пример

При измерении 12 волоконного кабеля, выяснилось, что 10 волокон имеют по 3 сварки ( на расстоянии 4км, 8 км и 12 км). В 2-х остальных волокнах в автоматическом режиме обнаружено только 2 сварных соединения (на расстоянии 4  км и 12 км). Это вызвано тем, что сварные соединения получились очень хорошими. Вместе с тем, соединения на расстоянии 8 км есть на всех волокнах и ее необходимо показать в отчете. В этом случае, в программном обеспечении открывается рефлектограмма, выставляется курсор на расстояние 8 км и добавляется событие. На этом событии появляется возможность в ручном режиме измерить потери. После добавления такого события, информация о нем появляется в таблице событий и отчете. Таким же способом можно удалить ошибочно найденное событие (Фантом), которое иногда появляется вследствие переотражения сигнала от некачественного или грязного коннектора на входе рефлектометра.

Для получения корректных результатов потерь на событиях, необходимо проводить двусторонние измерения с последующем вычислении среднего значения на каждом событии.

Определение сварного соединения (макро изгиба) оптического волокна при помощи рефлектометра (OTDR)

Как известно, сварное соединение и макро изгиб, относятся к не отражающим событиям, то есть от этих событий не происходит отражения сигнала. Соответственно, для определения их местоположения оптический рефлектометр производит измерение рассеяния света (Релеевского рассеяния) в каждой точке волокна. Причем количество точек измерения является характеристикой АЦП рефлектометра и чем больше количество этих точек, тем больше разрешающая способность прибора.

В настройке рефлектометра присутствует такой параметр как «Порог по не отражающим событиям». Этот параметр определяет минимальный перепад уровня рассеяния, который будет восприниматься рефлектометром как не отражающее событие. Так, минимальное значение порога неотражающих событий у большинства оптических рефлектометров: 0,01 дБ. Это значит, что перепады со значением менее 0,01 дБ будут восприниматься как шумы, а перепады рассеяния более 0,01 дБ – как неотражающее событие, попадать в таблицу событий и обозначаться соответствующим значком (рис 4, события №2,3,4). На первый взгляд кажется, что настройка этого коэффициента не нужна и стоит использовать всегда минимально возможный порог, однако в случае наличия большого количества помех, возможно появление ложных событий, что может ввести измерителя в заблуждение.

Рисунок 5 – Процессы, происходящие в месте сварки волокон различных производителей

На рисунке 5 продемонстрирован случай, когда волокно с большим количеством примесей сварено с волокном с меньшим количеством примесей. В этом случае при измерении слева направо, рефлектометр фиксирует резкое уменьшение уровня обратного рассеяния (Релеевского рассеяния) и идентифицирует событие как неотражающее с большими потерями. При измерении с обратной стороны, при переходе с одного волокна в другое уровень обратного рассеяния резко увеличивается, что идентифицируется как усиление. Естественно, в данном случае мы имеем дело не с реальным усилением, а с псевдо усилением. Поэтому для определения реальных потери на сварном соединении необходимо проводить двусторонние измерение, и вычислять среднее значение потерь на сварном соединении по формуле Асв сред = (А св А-Б + А св Б-А)/2.

Определение разьёмного соединения (коннекторного) оптического волокна при помощи рефлектометра (OTDR)

Разъёмное соединение относится к отражающим событиям. Уровень отражения сигнала от коннекторного соединения описан в соответствующих стандартах и в вебинаре “Оптические разъемы: типы, установка, чистка”. Отраженный от такого соединения сигнал напрямую фиксируется оптическим рефлектометром и отображается на рефлектограмме и таблице событий см. рисунок 3, а также рис 4 (события № 1,5,6,7).

СМОТРИТЕ ТАКЖЕ:

Подписаться на рассылку статей


Принцип работы оптоволокна. Как устроен оптоволоконный кабель

Оптоволокно - наиболее быстрая на сегодняшний день технология передачи информации в сети интернет. Структура оптического кабеля отличается определёнными особенностями: такой провод состоит из маленьких очень тонких проводков, ограждённых специальным покрытием, которое отделяет один проводок от другого.

По каждому проводку передаётся свет, который передаёт данные. Оптический кабель способен передавать одновременно данные, кроме интернет-соединения, также телевидения и стационарного телефона.

Потому оптоволоконная сеть позволяет пользователю совмещать все 3 услуги одного провайдера, подключая роутер, ПК, телевизор и телефон к единому кабелю.

Другое название оптоволоконного подключения - фиброоптическая связь. Такая связь даёт возможность передавать данные при помощи лазерных лучей на расстояния, измеряемые сотнями километров.

Оптический кабель состоит из мельчайших волокон, диаметр которых составляет тысячные доли сантиметра. Эти волокна передают оптические лучи, которые переносят данные, проходя через сердечник каждого волокна, состоящий из кремния.

Оптические волокна дают возможность установить соединение не только между городами, но и между странами и континентами. Связь по интернету между разными материками поддерживается через оптоволоконные кабели, проложенные по океанскому дну.

Оптоволоконный интернет

Благодаря оптическому кабелю можно настраивать высокоскоростное интернет-соединение, которое играет огромную роль в сегодняшнем мире. Оптоволоконный провод является самой прогрессивной технологией передачи данных по сети.

Плюсы оптического кабеля:

  • Долговечность, высокая пропускная способность, способствующая быстрой передаче данных.
  • Безопасность передачи данных - оптоволокно даёт возможность программам моментально обнаруживать несанкционированный доступ к данным, поэтому доступ к ним для злоумышленников почти исключён.
  • Высокая защищённость от помех, хорошее подавление шума.
  • Особенности строения оптического кабеля делают скорость передачи данных через него в несколько раз выше, чем скорость передачи данных через коаксиальный кабель. Прежде всего это относится к видеофайлам и аудиофайлам.
  • При подключении оптоволокна можно организовать систему, реализующую некоторые дополнительные опции, например, видеонаблюдение.

Однако самым главным достоинством оптоволоконного кабеля является его способность установить соединение объектов, удалённых друг от друга на огромное расстояние. Это возможно благодаря тому, что у оптического кабеля отсутствуют ограничения по длине каналов.

Подключение интернета с помощью оптоволокна

Самый распространённый в РФ интернет, сеть которого функционирует на основе оптоволокна, предоставляется провайдером Ростелеком. Как подключить оптоволоконный интернет?

Сначала следует просто убедиться в том, что оптический кабель подведён к дому. Затем нужно заказать подключение к интернету у провайдера. Последний должен сообщить данные, обеспечивающие подключение. Потом нужно выполнить настройку оборудования.

Она осуществляется так:


Терминал оборудован специальным гнездом, позволяющим соединяться с компьютером и соединять роутер с интернетом.

Кроме того, терминал имеет 2 дополнительных гнезда, позволяющих подключить к оптоволоконному соединению аналоговый домашний телефон, а также ещё несколько гнёзд предусмотрены для подключения телевидения.

В современном мире необходимо качественно и быстро передавать информацию. Сегодня нет более совершенного и эффективного способа передачи данных, чем оптоволоконный кабель. Если кто-то думает, что это уникальная разработка, то он глубоко ошибается. Первые оптические волокна появились еще в конце прошлого столетия, и до сих пор ведутся работы по развитию этой технологии.

На сегодняшний день мы уже имеем передающий материал, уникальный по свойствам. Его применение получило широкую популярность. Информация в наше время имеет большое значение. С помощью нее мы общаемся, развиваем экономику и быт. Скорость передачи информации при этом должна быть высокой для того, чтобы обеспечить необходимый темп современной жизни. Поэтому сейчас многие интернет провайдеры внедряют оптоволоконный кабель.

Этот тип проводника предназначен только на передачу импульса света, несущего часть информации. Поэтому его применяют для передачи информативных данных, а не для подключения питания. Оптоволоконный кабель дает возможность повысить скорость в несколько раз, в сравнении с проводами из металла. При эксплуатации он не имеет побочных явлений, ухудшения качества на расстоянии, перегрева провода. Достоинством кабеля на основе оптических волокон является невозможность влияния на передаваемый сигнал, поэтому ему не нужен экран, блуждающие токи на него не действуют.

Классификация

Оптоволоконный кабель имеет большие отличия от витой пары, исходя из области применения и места монтажа. Выделяют основные виды кабелей на основе оптического волокна:

  • Для внутреннего монтажа.
  • Установки в кабельные каналы, без брони.
  • Установки в кабельные каналы, бронированный.
  • Укладки в грунт.
  • Подвесной, не имеющий троса.
  • Подвесной, с тросом.
  • Для подводного монтажа.
Устройство

Самое простое устройство имеет оптоволоконный кабель для внутреннего монтажа, а также кабель обычного исполнения, не имеющего брони. Наиболее сложная конструкция у кабелей для подводного монтажа и для монтажа в грунт.

Кабель для внутреннего монтажа

Внутренние кабели делят на абонентские, для прокладки к потребителю, и распределительные для создания сети. Оптику проводят в кабельных каналах, лотках. Некоторые разновидности прокладывают по фасаду здания до распредкоробки, либо до самого абонента.

Устройство оптоволокна для внутренней прокладки состоит из оптического волокна, специального защитного покрытия, силовых элементов, например, троса. К кабелю, прокладываемому внутри зданий, предъявляются требования пожарной безопасности: стойкость к горению, низкое выделение дыма. Материал оболочки кабеля состоит из полиуретана, а не полиэтилена. Кабель должен быть легким, тонким и гибким. Многие исполнения оптоволоконного кабеля облегчены и защищены от влаги.

Внутри помещений кабель обычно прокладывается на небольшие расстояния, поэтому о затухании сигнала и влиянии на передачу информации речи не идет. В таких кабелях количество оптоволокна не более двенадцати. Существуют и гибридные оптоволоконные кабели, имеющие в составе витую пару.

Кабель без брони для кабельных каналов

Оптика без брони применяется для монтажа в кабельные каналы, при условии, что не будет механических воздействий снаружи. Такое исполнение кабеля применяется для тоннелей и коллекторов домов. Его укладывают в трубы из полиэтилена, вручную или специальной лебедкой. Особенностью такого исполнения кабеля является наличие гидрофобного наполнителя, гарантирующего нормальную эксплуатацию в кабельном канале, защищает от влаги.

Кабель с броней для кабельных каналов

Оптоволоконный кабель с броней применяется тогда, когда присутствуют нагрузки снаружи, например, на растяжение. Броня выполняется по-разному. Броня в виде ленты применяется, если нет воздействия агрессивных веществ, в, тоннелях и т.д. Конструкция брони состоит из стальной трубы (гофрированная, либо гладкая), с толщиной стенки 0,25 мм. Гофрирование выполняют тогда, когда это является одним слоем защиты кабеля. Оно защищает оптическое волокно от грызунов, увеличивает гибкость кабеля. При условиях с большим риском повреждений применяют броню из проволоки, например, на дне реки, или в грунте.

Кабель для укладки в грунт

Для монтажа кабеля в грунт применяют оптоволокно с броней из проволоки. Могут использоваться также кабели с ленточной броней, усиленные, но они не нашли широкого применения. Для прокладки оптоволокна в грунт задействуют кабелеукладчик. Если монтаж в грунт осуществляется в холодное время при температуре менее -10 градусов, то кабель заранее нагревают.

Для мокрого грунта применяют кабель с герметичным оптоволокном в металлической трубке, а броня из проволоки пропитывается водоотталкивающим составом. Специалисты делают расчеты по укладке кабеля. Они определяют допустимые растяжения, нагрузки на сдавливание и т. д. Иначе по истечении определенного времени оптические волокна повредятся, и кабель придет в негодность.

Броня оказывает влияние на величину допускаемой нагрузки на растяжение. Оптоволокно с броней из проволоки выдерживает нагрузку до 80 кН, с ленточной броней нагрузка может быть не более 2,7 кН.

Подвесной оптоволоконный кабель без брони

Такие кабели устанавливаются на опоры линий связи и питания. Так производить монтаж проще и удобнее, чем в грунт. При этом есть важное ограничение – во время монтажа температура не должна опускаться ниже -15 градусов. Сечение кабеля имеет круглую форму. Благодаря этому уменьшаются нагрузки от ветра на кабель. Расстояние между опорами должно быть не больше 100 метров. В конструкции есть силовой элемент в виде стеклопластика.

Благодаря силовому элементу кабель может выдержать большие нагрузки, направленные вдоль него. Силовые элементы в виде арамидных нитей применяют при расстояниях между столбами до 1000 метров. Достоинством арамидных нитей, кроме малой массы и прочности, являются диэлектрические свойства арамида. При ударе молнии в кабель, никаких повреждений не будет.

Сердечники подвесных кабелей бывают разными. По их типу кабели делят на:

  • Кабель с сердечником в виде профиля, оптоволокно устойчиво к сдавливанию и растяжению.
  • Кабель с модулями скрученного вида, оптические волокна проложены свободно, имеется устойчивость к растяжению.
  • С оптическим модулем, сердечник кроме оптоволокна ничего в составе не имеет. Недостаток такого исполнения – неудобно идентифицировать волокна. Преимущество – малый диаметр, низкая стоимость.
Оптоволоконный кабель с тросом

Тросовое оптоволокно является самонесущим. Такие кабели применяются для прокладки по воздуху. Трос бывает несущим или навивным. Есть модели кабеля, в котором оптоволокно находится внутри молниезащитного троса. Кабель, усиленный профильным сердечником, обладает достаточной эффективностью. Трос состоит из стальной проволоки в оболочке. Эта оболочка соединена с оплеткой кабеля. Свободный объем заполнен гидрофобным веществом. Такие кабели прокладывают с расстоянием между столбами не более 70 метров. Ограничением кабеля является невозможность прокладки на линию электропитания.

Кабели с тросом для грозовой защиты устанавливаются на высоковольтных линиях с фиксацией на заземление. Тросовый кабель используется при рисках его повреждения животными, либо на большие дистанции.

Оптоволоконный кабель для укладки под водой

Такой тип оптоволокна обособлен от остальных, потому что его укладка проходит в особых условиях. Все подводные кабели имеют броню, конструкция которой зависит от глубины прокладки и рельефа дна водоема.

Некоторые виды подводного оптоволокна по исполнению брони с:

  • Одинарной броней.
  • Усиленной броней.
  • Усиленной двойной броней.
  • Без брони.

1› Изоляция из полиэтилена.
2› Майларовое покрытие.
3› Двойная броня из проволоки.
4› Гидроизоляция алюминиевая.
5› Поликарбонат.
6› Центральная трубка.
7› Заполнитель гидрофобный.
8› Оптоволокно.

Размер брони не зависит от глубины прокладки. Армирование защищает кабель только от обитателей водоема, якорей, судов.

Сварка оптоволокна

Для сварки используется сварочный аппарат специального типа. В его составе содержится микроскоп, зажимы для фиксации волокон, дуговая сварка, камера термоусадки для нагрева гильз, микропроцессор для управления и контроля.

Краткий техпроцесс сварки оптоволокна:

  • Снятие оболочки стриппером.
  • Подготовка к сварке. На концы надеваются гильзы. Концы волокон обезжириваются спиртом. Конец волокна скалывается специальным приспособлением под определенным углом. Волокна укладываются в аппарат.
  • Сварка. Волокна выравниваются. При автоматическом управлении положение волокон устанавливается автоматически. После подтверждения сварщика, волокна свариваются аппаратом. При ручном управлении все операции проводятся вручную специалистом. При сварке волокна плавятся дугой электрического тока, совмещаются. Затем свариваемое место прогревается во избежание внутренних напряжений.
  • Проверка качества. Автомат сварки проводит анализ картинки места сварки по микроскопу, определяет оценку работы. Точный результат получают рефлектометром, который выявляет неоднородность и затухание на линии сварки.
  • Обработка и защита свариваемого места. Надетая гильза сдвигается на сварку и закладывается в печь для термоусадки на одну минуту. После этого гильза остывает, ложится в защитную пластину муфты, накладывается запасное оптическое волокно.
Достоинства оптоволоконного кабеля

Основным достоинством оптоволокна является повышенная скорость передачи информации, практически нет затухания сигнала (очень низкое), а также, безопасность передачи данных.

  • Невозможно подключиться к оптической линии без санкций. При любом включении в сеть оптические волокна повредятся.
  • Электробезопасность. Она повышает популярность и область применения таких кабелей. Их все больше используют в промышленности при опасности взрывов на производстве.
  • Имеет хорошую защиту от помех природного происхождения, электрооборудования и т.д.

Скоростной интернет, цифровое телевидение, мобильная связь возможны благодаря тонким стеклянным нитям, тянущимся по морскому дну между континентами. Если бы не оптоволокно, вы бы вряд ли читали эти строки.

Принципиальные основы этой технологии описаны еще в середине XIX века. Тогда в роли проводника сигнала пытались использовать воду – безуспешно. Подходящие для реализации смелой идеи материалы были разработаны только через сто с лишним лет.

Проводник для света

В обычном проводе сигнал передается по медной жиле. Информацию переносит поток электронов – электрический ток. Данные передаются зашифрованными в двоичном коде. Если импульс проходит – это обозначает единицу, не проходит – ноль.

В оптоволоконной линии связи принцип кодировки тот же, но информацию переносят фотоны или световые волны, точнее, и то, и другое одновременно. Ученые так долго спорили о природе света, что в конце концов объединили несовместимые теории. Но не нужно понимать квантово-волновой дуализм, чтобы разобраться, как свет используют для передачи информации в телекоммуникационных сетях.

Достаточно понять, как заставить свет течь по проводам на протяжении километров.

Первое, что приходит в голову, – зеркала. Сделайте металлическую трубку и покройте изнутри гладким слоем, например, из серебра.

Свет, попав внутрь с одной стороны, будет отражаться от стенок, пока не достигнет выхода с другой стороны. Неплохая идея, но она не будет работать.

Во-первых, изготовление такой трубки нужной длины – чрезвычайно сложная, а значит и дорогая задача.

Во-вторых, коэффициент отражения серебра – 99%, то есть попавший в трубку свет будет терять энергию и уже через 100 отражений совершенно погаснет.

Гораздо лучше обойтись и без зеркал. Как это сделать, подскажут основы геометрической оптики, заложенные в XIX веке.

Основную идею легко продемонстрировать на примере аквариума. Луч света от источника под водой проходит через границу воды и воздуха – двух сред с разными оптическими свойствами – и частично меняет направление движения, а частично отражается от границы двух сред как от зеркала.

Если угол падения луча уменьшать, в определенный момент свет перестанет выходить из воды вовсе и будет отражаться полностью, на 100%. Граница двух сред работает лучше всякого зеркала.

Как выяснилось, чтобы создать такую границу, вода не нужна. Подойдут любые два материала, по-разному пропускающие свет – имеющие разные коэффициенты преломления. Даже разницы в 1% достаточно для создания световода.

Стеклянные провода

В светильниках и игрушках световоды делают из пластмасс, но, чтобы получить пригодное для связи оптоволокно, необходимы более дорогие и более прозрачные материалы.

Ученые приспособили для этой цели кварцевое стекло. Сердцевину заготовки для оптоволокна чаще всего делают из чистого диоксида кремния. Внешний слой также создают из кварца, но с примесью бора или германия для снижения коэффициента преломления.

Раньше, чтобы получить такую заготовку, просто вставляли две стеклянные трубки друг в друга, но сегодня чаще поступают иначе. Полые трубки из чистого кварца наполняют смесью газов с высоким содержанием германия и медленно нагревают до тех пор, пока германий не осядет равномерным слоем на внутреннюю поверхность.

После того как на кварцевом стекле нарастет достаточно толстый слой оксида германия, трубу нагревают до размягчения и вытягивают до тех пор, пока полость внутри не схлопывается.

Так получается стержень диаметром от 1 до 10 сантиметров и длиной приблизительно 1 метр, уже содержащий в сердцевине кварц с добавкой германия, имеющий повышенный показатель преломления и оболочку из чистого кварца вокруг.

Такую заготовку доставляют на вершину башни высотой до нескольких десятков метров. Там нижнюю часть заготовки вновь нагревают до полутора тысяч градусов — почти что до точки плавления, и вытягивают из нее тончайшую нить. По пути вниз стекло остывает и окунается в ванну с полимером, который формирует на поверхности кварца защитный слой. Таким методом из одной заготовки получается до 100 км стекловолокна. У основания башни остывшее волокно наматывается на бобину.

Да, именно наматывается: как ни странно, кварцевое волокно легко гнется.

Получившиеся волокна собираются в пучки по несколько штук и запаиваются в полиэтилен. Затем из этих пучков сплетаются кабели.

В каждом кабеле может быть от двух-трех и до нескольких сотен световодов. Снаружи они для прочности оплетаются полимерной нитью и получают еще одну защитную оболочку из полиэтилена.

Преимущества и недостатки оптоволокна

Все эти сложности оправданы потому, что свет – самое быстрое, что есть во Вселенной.

Благодаря этому свойству света оптоволокно обладает непревзойденной информационной емкостью. Витая пара, подобная телефонной линии, или коаксиальный кабель, проводник с экраном, пропускают 100 мегабит в секунду.

Самый распространенный для компьютерных сетей восьмижильный кабель из 4 скрученных пар пропускает до 1000 мегабит в секунду. Оптоволокно по одной жиле — в три раза больше, до 3000 мегабит в секунду, а при помощи различных экспериментальных ухищрений можно преодолеть и этот порог.

К тому же оптоволокно значительно легче меди. При толщине 9 микрон – тоньше человеческого волоса – нить из кварца длиной 100 км весит около 15 г.

Практически все современные магистральные линии передачи данных проложены из оптоволоконных кабелей. Они связывают континенты, страны и дата-центры.

В крупных городах «оптика» используется и при подключении многоквартирных домов к мировой сети, но волокно прокладывается между провайдером и домом, а по квартирам разводится обычная витая пара.

При такой схеме подключения максимальная скорость доступа к сети для абонента по-прежнему не превышает 100 Мбит/с. Для сравнения, проведя оптический кабель прямо в квартиру, можно получить канал в 1 Гбит/с, и все же потребитель редко сталкивается с оптоволоконным Интернетом.

Дело не только в том, что оптоволокно дорого в производстве. Проложить кабель – это лишь начало. Сигналы, идущие по линии связи, с расстоянием накапливают ошибки и в конце концов вовсе затухают. У витой пары это происходит через 1 км, у коаксиального кабеля примерно через 5 км. После сигнал приходится восстанавливать и усиливать – регенерировать.

У оптоволокна дистанция регенерации в разы больше, но, каким бы чистым ни было кварцевое стекло, в нем остаются примеси, например, миллионные доли процентов воды.

Длина волокна может составлять сотни тысяч километров, но через 100–200 км затухание оптического сигнала все же себя проявляет.

Поэтому на линиях оптоволоконной связи устанавливаются промежуточные усилители, которые восстанавливают амплитуду оптического сигнала, и регенераторы, удаляющие помехи. Такое оборудование значительно более дорогое, чем усилители на традиционных линиях связи, и требует квалифицированного обслуживания.

Но главное, на данный момент гигабитные каналы связи мало востребованы обычными людьми. Возможно, с появлением умных домов, носимых компьютеров, распространением стриминга видео в сверхвысоком разрешении потребность в них возрастет, но пока скорости, предоставляемой витой парой, среднему потребителю вполне достаточно.

Даже не соприкасаясь с этой технологией напрямую, каждый из нас пользуется ее преимуществами. Стабильность подключения, малая задержка прохождения сигнала до самых удаленных серверов и высокая скорость получения ответа от них, возможность снять деньги в любом банкомате и совершить звонок в любую страну мира – все это заслуга оптоволокна, и конкурентов у него нет и в проекте.

Часто можно видеть различную рекламу о качественном интернете и телевидении. Такие свойства сигнал приобретает в результате перемещения к потребителю по линиям из оптических волокон, в которых практически не происходит потерь информации.

Что такое оптоволокно

В обыкновенном проводе электрический сигнал проходит по медному проводнику . В оптических линиях по ним проходят световые фотоны и волны . Оптиковолокно считается самым быстрым способом передачи информации на значительные расстояния. Кабель состоит из нескольких отдельных проводников разделенными между собой специальными покрытиями. В конструкции каждый отдельный элемент проводит информацию, зашифрованную в свет.

В качестве передаваемой информации могут использоваться телефонные и телевизионные данные , а также интернет (благодаря оптоволокну добиваются высокой скорости доступа в Интернет). В настоящее врем все три сигнала для передачи объединяются в один.

Особенности ограничения

За несколько последних лет ограничения по скорости передачи данных в оптических линиях продвинулись намного вперед. Скорость зависит от длины проводника, а также качества самой информации. В одномодовых системах используется скорость от 2,5 Мбит/с до 10 Гбит/с при расстоянии передачи от 10 км и выше. В настоящее время проводятся исследования, в результате которых скоро станет возможной скорость до 160 Гбит/с . Не стоит забывать, что многие кабели изготавливаются многослойными, что позволяет передавать намного больше информации с высокой скоростью.

Достоинства и недостатки

Оптические волокна в процессе эксплуатации потребителями, как и любое техническое изделие, имеет свои плюсы и минусы. К преимуществам данного вида проводника следует отнести:

  1. Защиту от помех . Любые виды электромагнитного воздействия беспомощны перед оптоволокном. Благодаря этому свойству они могут применяться вблизи мощных источников излучения.
  2. Не проводит электрический ток , в результате чего конструкционно облегчается изготовление блоков приема и передачи.
  3. Безопасность информации и совместимость электромагнитных импульсов. Благодаря восприимчивости к любому виду излучений оптико волоконный кабели в процессе эксплуатации не излучают электромагнитных волн в результате чего информация защищена от перехвата.
  4. Малые затухания . Благодаря применяемым материалам сигнал не теряет своих свойств на больших расстояниях тем самым намного превосходя свои медные аналоги.
  5. Повышенная пропускная способность и широкополосность . Такие способности позволили передавать в одном оптическом кабеле различные виды сигналов, при этом они перемешиваются и не создают помех друг другу.
  6. Имеют низкий вес , а в некоторых случаях и стоимость в отличие от электрических проводников.

К недостаткам следует отнести:

  • повышенные требования к персоналу в процессе эксплуатации и обслуживания;
  • малая прочность в результате чего возникают трещины и разрывы, сигнал начнет затухать, либо прерываться;
  • потеря связи при попадании воды внутрь проводника.

Применяемые материалы

В производстве оптоволокна применяются следующие материалы:

  • кварцевое стекло;
  • материалы на основе полимеров.

Кварцевое стекло

Производится при плавлении минерала кварца , который является ценной породой. В результате его применения оптические волокна приобретают следующие положительные свойства:


Полимерные материалы

Применение таких материалов позволяет использовать оптиковолокно большой толщины, благодаря пластичности и стабильности на изгиб и залом. Недостатком является недопустимость использования в зонах инфракрасного излучения в результате которого происходит затухание сигнала.

Устройство и принцип работы

Оптические кабели представляют собой проводник, состоящий из нескольких жил обернутый в оплетку-экран. Сами жилы изготавливаются из стекла или полимера и обладают повышенной гладкостью для обеспечения максимальной проводимости.

Веществом, которое переносит информацию является свет, он имеет самую большую скорость перемещения. Кабельные жилы - это, по сути, стеклянные трубки, обернутые в металлическую фольгу, которая служит экраном сохраняющим поток сигнала. Свет, проходя по кабелю отражается от стенок и доходит до приемника. Скорость передачи информации ниже скорости света, в результате того, что фотоны не летят прямолинейно.

Сигнал в результате своего движения все-таки терпит некоторые потери . Затухание во многом зависит от качества применяемых материалов и условий прокладки оптоволокна. Не малую роль при этом играет и сам передатчик.

Разновидности

В современном исполнении оптическое волокно разделяют на два основных вида, которые отличаются по размеру сердцевины:

  • одномодовые;
  • многомодовые.

Одномодовые

В таком исполнении сердечник имеет толщину до 8 мкм. Благодаря минимальным размерам по волокну способен проходить единственный луч практически без потерь . Данный вид применяется в линиях на значительном протяжении, где важно сохранить качество сигнала.

Многомодовые

Данный вид сердечника состоит из волокна толщиной до 62,5 мкм. По таким кабелям способны протекать множественные световые пучки, позволяя перемещаться им одновременно под разными углами к сердцевине. Сигнал в таких проводах испытывает значительные потери в результате многих отражений от оболочки.

Многомодовые оптиковолоконные линии в свою очередь делятся на два типа:

  1. Градиентные . В таких кабелях плотность сердечника меняется в некоторых местах на протяжении линии, что позволяет сигналу развивать высокую скорость за меньший период времени.
  2. Ступенчатые . В данном типе исполнения плотность волокон сердечника единая на протяжении всей линии.

Классификация

По способу непосредственного монтажа оптические кабели подразделяются на следующие виды:

  • прокладка в земле;
  • трубы для канализации, а также коллекторы;
  • подводный монтаж;
  • воздушные линии.

В зависимости от использования и дальности передаваемого сигнала оптиковолокно разделяют на следующие виды:

  • при создании длинных линий на значительные расстояния многоканальной сети применяются магистральные кабели , для обеспечения стабильности сигнала в конструкции используются волокна с сердцевиной до 125 мкм, при длине волны не ниже 1,55 мкм;
  • при прокладке многоканальных линий между областями и регионами применяются зоновые провода , в их конструкции используются градиентные волокна;
  • городское оптоволокно прокладывают по коллекторам и специальным каналам, по своим некоторым характеристикам схоже с зоновым, длина линии не превышает 10 км;
  • прокладка полевых кабелей подразумевает монтаж различными способами, как по воздуху, так и под землей, не подвержен горению, растягиванию, в конструкции используют до 12 волокон;
  • подводный кабель обладает высокой устойчивостью к растягиванию и разрыву, не пропускает влаги, имеет пониженный дисперсионный уровень;
  • объектовые кабели применяются для монтажа внутри конкретных обособленных участков и каналов, в них не используются гидрофобные материалы, что упрощает процесс прокладки;
  • монтажные провода изготавливаются в виде плоского пучка волокон, в них применяются градиентные многомодовые оптические волокна.

По варианту исполнения сердцевины оптического кабеля выделяют следующие виды:

  • повивная концентрическая скрутка вокруг одного сердечника;
  • центральный провод с числом волокон до 45;
  • фигурный сердечник с числом волокон до 576;
  • плоское исполнение до 288 волокон в нем.

Способы подключения

При прокладке оптиковолоконного кабеля зачастую приходится использовать разнообразные коммутирующие устройства. Не всегда при прокладке линии хватает длины провода в бухте, а также иногда требуется разветвление большого провода на несколько небольших.

В настоящее время применяется три основных способа коммутации данного кабеля:

  • механический;
  • метод сварки;
  • использование сплайса.

Стоит заметить, что напрямую к компьютеру оптоволокно не подключается. Если в квартиру заведено оптоволокно для доступа к Интернету, то в этом случае нужен специальный роутер с возможностью подключения оптиковолоконного кабеля, или специальный медиаконвертер преобразующий оптический сигнал.

Работу по соединению выполняют в два этапа:

  • кусок кабеля небольшого размера с установленным на конце коннектором приваривают к окончанию оптического провода при помощи автоматического сварочного аппарата;
  • в последствии установленный коннектор соединяют с разъемом на другом конце кабеля.

Коммутация таким методом требует постоянной чистки в процессе эксплуатации. Потеря сигнала в таком случае велика, производители не рекомендуют применять такой метод для наружного монтажа оптических линий.

Сплайс — это некая конструкция, часто пластиковый блок, внутри которого закрепляются оптические волокна разных кабелей. Процесс соединения выполняют по следующей схеме:

  • первоначально от изоляции очищаются два окончания соединяемых кабелей;
  • при помощи сплайса происходит совмещение очищенных концов ;
  • в последствии место коммутации тщательно изолируется .

Данный способ подразумевает меньшие потери сигнала, чем механический. В процессе эксплуатации необходимо проверять совмещение центров срощенных концов.

Данный метод считается самым надежным и позволяет применять оптиковолоконные провода, срощенные таким образом при наружном монтаже . Потери сигналов в этом случае минимальные. Для сварки понадобится специальное автоматическое устройство.

Прочтите определения и принципы оптического волокна на Embibe

Оптическое волокно : Оптическое волокно - это гибкое и прозрачное волокно, изготовленное путем вытягивания стекла (кремнезема) или пластмассы до диаметра, немного толще человеческого волоса. Давайте разберемся с оптическими волокнами все, включая определение, конструкцию, принцип их работы, типы и их преимущества перед традиционными проводами. Для облегчения понимания концепций мы объяснили все с помощью иллюстраций.

Что такое оптическое волокно?

Оптическое волокно - это технология, связанная с передачей данных с использованием световых импульсов, распространяющихся по длинному волокну, которое обычно сделано из пластика или стекла.

Конструкция оптического волокна

Оптическое волокно состоит из тонкой стеклянной сердцевины (диаметром от 10 до 100 мкм), окруженной стеклянным покрытием, называемым оболочкой, и защищенным оболочкой из пластика.

Оптоволоконная релейная система состоит из следующих компонентов:

  1. Передатчик - он производит световые сигналы и кодирует их для передачи.
  2. Оптическое волокно - Среда для передачи светового импульса (сигнала).
  3. Оптический приемник - он принимает переданный световой импульс (сигнал) и декодирует их для использования.
  4. Оптический регенератор - необходим для передачи данных на большие расстояния.

Как работает оптическое волокно? Принцип работы оптического волокна

Оптоволокно работает по принципу полного внутреннего отражения. Когда свет, движущийся в оптически плотной среде, попадает на границу под крутым углом (большим, чем критический угол для границы), свет полностью отражается.Это называется полное внутреннее отражение .

Этот эффект используется в оптических волокнах для ограничения света в сердцевине. Свет проходит через сердцевину волокна, отражаясь назад и вперед от границы между сердцевиной и оболочкой. Поскольку свет должен падать на границу под углом, превышающим критический угол, только свет, который входит в волокно в определенном диапазоне углов, может проходить по волокну без утечки.

Этот диапазон углов называется приемным конусом волокна.Размер этого приемного конуса зависит от разницы показателей преломления между сердцевиной и оболочкой волокна.

💡 Проще говоря, существует максимальный угол от оси волокна, под которым свет может проникать в волокно, так что он будет распространяться или перемещаться по сердцевине волокна. Синус этого максимального угла представляет собой числовую апертуру (NA) волокна. Волокно с большей числовой апертурой требует меньшей точности для сращивания и работы, чем волокно с меньшей числовой апертурой. 2}} \ over {{\ mu _1}}}} \ right)

$

2.{- {a \ over x}}} $$

где,

I = интенсивность света, когда он входит в волокно
I 0 = интенсивность света как расстояние x вдоль волокна
a = коэффициент поглощения или коэффициент ослабления

Типы оптического волокна

Оптические волокна классифицируются по различным параметрам, таким как показатель преломления, используемые материалы и способ распространения света. Давайте подробно рассмотрим каждую классификацию.

на основе показателя преломления
  • 1.Одномодовое оптическое волокно : у него очень узкая сердцевина диаметром около 5 м или меньше, оболочка относительно велика.
  • 2. Многомодовое оптоволокно : снова бывает двух типов:
    • (i) Многорежимное волокно с индексом шага : диаметр сердцевины составляет около 50 мкм. Сердечник имеет постоянное значение R. Затем показатель преломления изменяется до более низкого значения, которое остается постоянным через оболочку.
    • (ii) Многомодовое волокно с градиентным показателем преломления : Показатель преломления плавно уменьшается от его центра к внешней поверхности волокна (оболочки).Заметной границы между сердцевиной и оболочкой нет.
В зависимости от используемых материалов

Классификация по используемым материалам следующая:

  1. Пластиковые оптические волокна: Полиметилметакрилат используется в качестве материала сердцевины для передачи света.
  2. Стекловолокно: Состоит из очень тонких стеклянных волокон.
в зависимости от режима распространения света

Классификация, основанная на способе распространения света, выглядит следующим образом:

  1. Одномодовые волокна: Эти волокна используются для передачи сигналов на большие расстояния.
  2. Многомодовые волокна: Эти волокна используются для передачи сигналов на короткие расстояния.

Преимущества оптических волокон перед проводами

Использование оптических волокон по сравнению с традиционными проводами дает множество преимуществ. Некоторые из преимуществ перечислены ниже:

  1. Более низкая стоимость в долгосрочной перспективе
  2. Более низкие потери сигнала, обычно менее 0,3 дБ / км). Таким образом, возможна передача на большие расстояния без повторителя
  3. Большая пропускная способность данных (в тысячи раз больше, достигая скорости до 1.6 Тбит / с в развернутой системе и до 10 Тбит / с в лабораторных системах)
  4. Отсутствие электромагнитного излучения; трудно подслушивать
  5. Высокое электрическое сопротивление. Таким образом, безопасно использовать рядом с высоковольтным оборудованием или между зонами с различным потенциалом заземления
  6. Малый вес
  7. Сигналы содержат очень мало энергии
  8. Отсутствуют перекрестные помехи между кабелями
  9. Нет искр (например, в автомобилях)
  10. Трудно поместите на линию ответвитель или подслушивающее устройство, чтобы обеспечить лучшую физическую безопасность сети.

Теперь, когда вы получили всю информацию об оптических волокнах, посмотрите следующее видео, чтобы лучше понять концепцию.

Часто задаваемые вопросы

Вот некоторые из часто задаваемых вопросов об оптических волокнах:

Q1: Каково использование оптических волокон?
A: Компьютерные сети - одно из основных применений волоконной оптики, при которой данные передаются с более высокой пропускной способностью. Кроме того, волоконная оптика также может использоваться для удаленных соединений компьютерной сети с разными точками. Есть несколько применений волоконно-оптических кабелей.
Q2: Каковы преимущества оптических волокон?
A: Некоторые из основных преимуществ оптических волокон:
(i) Экономичность и рентабельность
(ii) Меньшее энергопотребление
(iii) Тонкие и негорючие
(iv) Меньшее ухудшение сигнала
(v) ) Гибкий и легкий
Q3: Каковы недостатки оптического волокна?
A: Некоторые из недостатков оптических волокон:
(i) Волоконно-оптические кабели очень трудно соединить друг с другом, и при рассеянии световой луч внутри кабеля может быть потерян.
(ii) Установка оптических кабелей очень дорога. Для установки оптических волокон необходимо специальное испытательное оборудование.
(iii) Оптоволоконные кабели компактны и очень уязвимы при установке.
(iv) Волоконно-оптические кабели более хрупкие по сравнению с медными проводами.
(v) Требуются специальные устройства для анализа прохождения света по оптоволоконным кабелям.
Q4: Что такое эффект Рамана?
A: Эффект комбинационного рассеяния - это изменение длины волны света, которое происходит, когда молекулы отклоняют световой луч.
Q5: Назовите факторы, ответственные за ослабление оптической мощности в волокне.
A: Следующие факторы являются причиной ослабления оптической мощности в волокне:
(a) Поглощение
(b) Рассеяние
(c) Эффект волновода
Q6: Что это принцип оптоволоконной связи?
A: Полное внутреннее отражение - это принцип, на котором основана оптоволоконная связь.
Q7: Почему мы используем кремнезем для изготовления оптических волокон?
A: Кремнезем обладает идеальной эластичностью до предела прочности, что делает его лучшим для изготовления.
Q8: Почему оптоволоконные кабели из кварцевого стекла с пластмассовой оболочкой неудобны для пользователя?
A: Ниже приведены причины, по которым оптоволоконные кабели из кварцевого стекла с пластмассовой оболочкой неудобны для пользователя:
(i) Волокна нерастворимы в органических растворителях
(ii) Затрудняется склеивание чрезмерная пластичность облицовки

Мы надеемся, что эта подробная статья о оптических волокнах вам поможет.Если у вас есть какие-либо вопросы по этой статье, свяжитесь с нами через раздел комментариев ниже, и мы свяжемся с вами как можно скорее.

2019 Просмотры

Принцип работы, типы, преимущества и недостатки

Связь с использованием оптоволоконного кабеля может быть методом передачи данных из одного места в другое путем передачи световых импульсов. В настоящее время эти кабели используются для передачи изображений, голосовых сообщений и т. Д.Эти кабели можно проектировать из пластика или стекла, чтобы данные могли передаваться быстрее и эффективнее, чем по медным кабелям. Эти кабели изменили телекоммуникационную отрасль, сыграв ключевую роль в передаче данных. Таким образом, эти кабели заменили медные. В настоящее время мир подключен к Интернету. Таким образом, используя световой луч оптоволоконного кабеля , можно совершать телефонные звонки, скачивать видео, проверять веб-сайты и т. Д.


Что такое оптическое волокно?

Кабель, который используется для передачи данных через волокна (нити) или пластик (стекло), известен как волоконно-оптический кабель.Этот кабель включает в себя пакет стеклянных нитей, который передает модулированные сообщения по световым волнам. Использование этих кабелей по сравнению с другими типами кабелей связи дает много преимуществ, например, полоса пропускания этих кабелей высока, менее уязвима, чем металлические кабели, к помехам, менее тонкая и легкая, а данные можно передавать в цифровом виде. Основные недостатки этих кабелей - дороговизна, сложность монтажа и сложность их соединения.

Эти кабели необходимы для локальных сетей.Поэтому телекоммуникационные компании заменяют эти кабели телефонными линиями. Когда-нибудь все коммуникации будут использовать оптоволокно. Конструктивные особенности этих кабелей в основном включают внешний вид, прочность, долговечность, предел прочности, воспламеняемость, размер, диапазон температур и гибкость.

Работа оптического волокна

Принцип работы оптического волокна заключается в передаче информации в виде световых атомов, иначе фотонов. Сердцевины из стекловолокна и оболочки имеют специальный показатель преломления, позволяющий отклонять свет внутрь под определенным углом.Всякий раз, когда световые жесты передаются по оптическому кабелю, они не отражают оболочку и сердечник в последовательности зигзагообразных отскоков, соблюдение метода называется полным внутренним отражением.

оптический кабель

Оптическое волокно представляет собой длинную тонкую нить из простого материала. По форме этот кабель похож на цилиндр. Жила этого кабеля расположена в центре, а внешняя часть жилы называется оболочкой. Здесь облицовка работает как защитный слой. Эти два сделаны из разных видов пластика, в противном случае - из стекла.Таким образом, движение света по сердцевине может быть очень медленным, а затем он попадает в оболочку.

Когда свет внутри сердцевины попадает на край оболочки под углом менее 90 градусов, он отражается. Свет не убегает, пока не приблизится к концу волокна, в противном случае волокно резко скручено или растянуто. Оболочка кабеля может быть повреждена, если поцарапаться. Так, пластиковое покрытие наподобие буфера защищает облицовку. Это буферное волокно может быть расположено в жестком слое, известном как оболочка.Таким образом, волокно можно легко использовать, не повреждая его.

Типы оптического волокна

Классификация оптического волокна может быть сделана на основе используемых материалов, показателя преломления и режима распространения света.

Волоконно-оптические кабели подразделяются на два типа в зависимости от используемых материалов, к которым относятся следующие.

  • Пластиковые волоконно-оптические кабели, в которых используется полиметилметакрилат, может использоваться в качестве материала сердцевины для передачи света.
  • Стекловолокно включает стекловолокно очень высокого качества.

Волоконно-оптические кабели подразделяются на два типа по показателю преломления, которые включают следующие.

  • Волокно со ступенчатым показателем преломления включает сердцевину, заключенную в оболочку. Он включает только равномерный показатель преломления.
  • В волокнах с градиентным коэффициентом преломления, когда показатель преломления кабеля уменьшается, радиальное расстояние от оси волокна увеличивается.

Волоконно-оптические кабели подразделяются на два типа в зависимости от режима распространения света, которые включают следующие.

  • Одномодовые волокна в основном используются для передачи сигналов на большие расстояния.
  • Многомодовые волокна в основном используются для передачи сигналов на короткие расстояния.

Четыре комбинации оптических волокон могут быть сформированы по показателю преломления, а также по способу распространения, которые включают одномодовый режим со ступенчатым показателем преломления, одномодовый с градиентным показателем преломления, многомодовый со ступенчатым показателем преломления и многомодовый со ступенчатым показателем преломления.

Преимущества и недостатки

К преимуществам оптического волокна относятся следующие.

  • Пропускная способность выше, чем у медных кабелей
  • Меньшие потери мощности и возможность передачи данных на большие расстояния
  • Кабель оптический устойчивый к электромагнитным помехам
  • Размер оптоволоконного кабеля в 4,5 раза лучше, чем у медных проводов и
  • Эти кабели легче, тоньше и занимают меньше площади по сравнению с металлическими проводами.
  • Установка очень проста благодаря меньшему весу.
  • К оптоволоконному кабелю очень трудно подключиться, потому что он не производит электромагнитную энергию.Эти кабели очень безопасны при передаче или передаче данных.
  • Оптоволоконный кабель очень гибкий, легко сгибается и противостоит большинству кислотных элементов, попадающих на медный провод.

К недостаткам оптического волокна можно отнести следующие

  • Волоконно-оптические кабели очень трудно соединить, и при рассеянии в кабеле будет потеря луча.
  • Установка этих кабелей экономична. Они не такие прочные, как провода.Для оптического волокна часто требуется специальное испытательное оборудование.
  • Оптоволоконные кабели компактны и очень уязвимы при установке
  • Эти кабели более хрупкие, чем медные провода.
  • Для проверки передачи оптоволоконного кабеля необходимы специальные устройства.

Итак, это все об обзоре оптического волокна. Применение оптического волокна в основном связано с передачей данных вместо металлических кабелей из-за возможности высокоскоростной передачи и передачи данных.В настоящее время эти кабели используются для различных целей в различных отраслях промышленности, таких как связь, радиовещание, промышленность, военная промышленность и медицина. Эти кабели заменяют коаксиальные кабели и медные кабели. Эти кабели используются в различных приложениях из-за их преимуществ, таких как высокая скорость и пропускная способность. Вот вопрос к вам, , кто изобрел оптическое волокно ?

Объяснение принципа работы оптического волокна

С развитием сети принцип работы оптического волокна стал широко применяться в телекоммуникациях.Чтобы четко понять принцип работы волоконно-оптического кабеля, мы сначала изучим компоненты волоконно-оптического кабеля.

Компоненты волоконно-оптического кабеля


Оптоволоконный кабель можно разделить на три части. Это коаксиальный кабель, центральная часть которого называется сердечником. Ядро сделано из очень прозрачной стеклянной трубки и несет информацию. Пластиковое покрытие над ним, которое вызывает отражение световых сигналов, называется оболочкой. А оболочка, защищающая оптическое волокно, называется покрытием.В одномодовом волокне диаметр сердцевины составляет около 5-10 микрон. Размер от 5 до 10 микрон эквивалентен миллионной части метра. Этот маленький - сердцевина оптического волокна.

Причина, по которой сердцевина сделана из стекла, заключается в том, что стекло невероятно чистое. Несмотря на то, что его длина составляет несколько миль, свет все же может пройти. Стекло вытягивается в очень тонкую прядь, сравнимую по толщине с человеческим волосом. Затем стеклянная нить покрывается двумя слоями пластика.Поэтому волоконно-оптический кабель также называют стекловолоконным кабелем.

Для передачи сигналов данных готовый кабель необходимо подключить к трем другим основным компонентам оптоволоконной системы. Это оптический передатчик, оптический приемник и оптический регенератор.

Оптический передатчик
Оптический передатчик, устройство, которое преобразует электрические и аналоговые сигналы в световые сигналы с линейной или двухпозиционной модуляцией. Затем он передает данные в оптоволоконный кабель.Образец световых волн образует код, несущий сообщение. Затем кабель передает данные, излучаемые оптическим передатчиком, на оптический приемник. Приемник принимает световой сигнал и преобразует данные в исходную форму.

Оптический приемник
Приемник по существу выполняет функцию, противоположную передатчику. Оптические приемники принимают световой сигнал от оптоволоконного кабеля и снова превращают его в информацию. Компьютер или телевизор умеют понимать и использовать информацию.Декодированный сигнал отправляется на компьютер или телевизор.

Оптический регенератор
Иногда световой сигнал должен проходить по оптоволоконному кабелю на очень большое расстояние. Хотя ухудшение сигнала в оптоволоконном кабеле минимально, некоторое ухудшение все же происходит. Когда кабель проходит большое расстояние, оптические регенераторы размещаются вдоль кабеля через определенные интервалы. Оптические регенераторы - это волокна, обработанные лазером. Молекулы в оптоволокне позволяют сигналу проходить по оптоволоконному кабелю и приобретать свойства лазера.Свойства лазера усиливают световой сигнал. Оптические регенераторы существенно усиливают световой сигнал, проходящий по оптоволоконному кабелю.

Принцип работы оптического волокна

Свет проходит через стеклянные нити и постоянно отражается от зеркальных пластиковых покрытий. Этот процесс называется «Полное внутреннее отражение».

Когда свет проходит от среды с более низким показателем преломления к среде с более высоким показателем преломления, он отклоняется к нормали.Нормаль - это линия, перпендикулярная границе раздела двух сред. Однако, когда свет проходит от среды с более высоким показателем преломления к среде с более низким показателем преломления, он отклоняется от нормали.

Угол, образованный падающим лучом к нормали, называется углом падения. Угол между преломленным лучом и нормалью в точке падения в другую среду называется углом преломления. Теперь представьте, что свет распространяется из среды с более высоким показателем преломления в среду с более низким показателем преломления.По мере увеличения угла падения угол преломления также увеличивается. Если угол падения увеличивается до такой степени, что угол преломления становится перпендикулярным углу преломления, почти параллельным границе раздела двух сред. Тогда этот частный угол падения называется критическим углом. Если угол падения еще больше увеличится за пределы этого угла падения, то преломленный свет вернется в ту же среду в отраженном виде. Это процесс полного внутреннего преломления.

В оптоволокне происходит то, что свет направляется под таким углом почти параллельно оптическому волокну. Он проходит через процесс полного внутреннего отражения и преодолевает сотни километров. Кроме того, как мы все знаем, самая высокая скорость любой формы энергии - это скорость света. Итак, это должен быть самый быстрый способ общения. Свет отражается от стенок из чистого стекла и, следовательно, распространяется на сотни километров.

Для передачи данных на большие расстояния оптические волокна должны иметь высокую отражательную способность.На пути к намотке свежевытянутые стекловолокна проходят через чашки для покрытия и ультрафиолетовые печи. Они соответственно наносят и затем отверждают тонкое пластиковое буферное покрытие. Пластиковое буферное покрытие создает в волокне зеркальный эффект.

Три типичных типа оптоволоконных кабелей, включая многомодовый оптоволоконный кабель, одномодовый кабель и пластиковый оптоволоконный кабель (POF), могут быть адаптированы к базовой структуре и принципу работы.

Заключение

Эта статья подробно знакомит вас с принципом работы оптического волокна.Кроме того, принцип работы оптического волокна широко применяется в телекоммуникациях, поэтому важно знать принцип работы оптического волокна.

Оптическое волокно

| Оптоволоконная связь | Принцип работы

Оптическое волокно

Оптическое волокно - это устройство, работающее по принципу полного внутреннего отражения, благодаря которому световой сигнал может передаваться из одного места в другое с незначительной потерей энергии. Оптическое волокно представляет собой очень тонкий стеклянный стержень 125 мкм.После изготовления он имеет центральную стеклянную сердцевину, окруженную стеклянным покрытием или оболочкой с меньшим показателем преломления, чем сердцевина.

Строительство

Он состоит из очень тонкого волокна диоксида кремния, стекла или пластика. высокий показатель преломления, называемый сердечником. Сердечник имеет диаметр от 10 до 200 мкм. В Сердечник заключен в крышку из стекла или пластика, которая называется , оболочка . Преломляющий индекс оболочки меньше, чем у сердечника, что является обязательным условия работы оптического волокна.Волокно покрывается во время процесс рисования полиэтиленом или эпоксидной смолой для защиты, а в некоторых Цветовая кодировка экземпляров применяется в соответствии с потребностями пользователей. Все данные относительно волокна затем измеряется (ширина полосы, показатель преломления, оболочка толщину, время отклика рефлектометра и т. д.) и записываются. Базовый Одноволоконный кабель состоит из следующих компонентов:

  1. Сердечник - кварц
  2. Облицовка - диоксид кремния
  3. Оболочка - акрил
  4. Буферная оболочка
  5. Силовой элемент
  6. Наружная оболочка

Принцип работы

Волоконно-оптическое волокно работает по принципу всего внутреннего отражения . Когда луч света падает на сердцевина оптического волокна под небольшим углом, оно страдает преломлением и ударяет по поверхности раздела оболочки сердечника. Поскольку диаметр волокна очень мал следовательно, угол падения больше критического. Следовательно луч претерпевает полное внутреннее отражение на границе раздела оболочки сердечника и поражает противоположный интерфейс. На этом интерфейсе также угол падения больше критического угла, поэтому он снова страдает от общего внутреннего отражение.Таким образом, Луч света достигает другого конца волокна. после многократного полного внутреннего отражения по длине волокно. На другом конце луч преломляется и выходит из оптического волокно без потери энергии.

n 2 1

Типы оптического волокна

В зависимости от материального состава сердечника различают два типа волокон, используемых обычно. Их-

1. Индекс ступени

Показатель преломления ядра однородна на всем протяжении и претерпевает резкое изменение на граница облицовки.

2. Индекс баллов

Показатель преломления сердцевины изменяется как функция радиального расстояния от центра волокна. Оба они далее делится на -

  1. Многорежимный шаг-индекс волокно
  2. многомодовое Волокно с градиентным показателем преломления
  3. Одномодовое ступенчатое волокно
Многомодовое волокно со ступенчатым показателем преломления

Многомодовое оптоволокно со ступенчатым индексом имеет диаметр стержня от 100 до 970 мкм.С этим большим ядром диаметр, свет может проходить по многим путям. Следовательно луч света, идущий по прямому пути через центр, достигает конца перед другими лучами, который следует зигзагообразным путем. Разница в длине времени, необходимого для существования различных световых лучей, волокно называется модальным дисперсия . Это форма одиночного искажения с ограничением пропускная способность волокна.

Многомодовое волокно с градиентным индексом преломления

Многомодовое волокно с градиентным индексом является усовершенствованием многомодового волокна со ступенчатым показателем преломления.Потому что световые лучи путешествуют быстрее благодаря более низкому показателю преломления свет в сердцевине волокна движется медленнее, чем свет ближе к поверхности. Поэтому оба световых лучи прибывают в точку выхода почти одновременно, уменьшая модальное дисперсия. Типичное волокно с градиентным коэффициентом преломления имеет диаметр сердцевины от 50 до 85 мкм и диаметр оболочки 125 мкм.

Одномодовое оптоволокно со ступенчатым показателем преломления

одномодовый step-index волокна являются наиболее широко используемыми сегодня в широкополосной связи. арена.С помощью этого волокна луч света может перемещаться только по одному пути; поэтому модальный дисперсия равна нулю. Диаметр сердцевины этого волокна колеблется от 5 до 5 мм. микрометр до 10 микрометр. Дополнительная толщина оболочки имеет тенденцию устанавливать общий размер волокна стандартный и делает волокно хрупким.

Оптоволоконная связь

Система связи волоконная оптика хорошо разбирается, изучая ее части. Главным элементы волоконно-оптической системы связи: фигура.

Основные компоненты: световой сигнал, передатчик, оптоволокно. и фотоприемник. Дополнительный элемент, такой как оптоволокно и кабель, сварочные аппараты и соединители, регенераторы, светоделители и оптический усилитель. используется для повышения производительности системы связи .

Преимущества оптического волокна

  1. Пропускная способность оптоволоконных кабелей выше, чем металлические кабели.
  2. Объем передачи данных выше в оптоволоконных кабелях.
  3. Потери мощности очень малы и, следовательно, полезны на больших расстояниях трансмиссии.
  4. Волоконно-оптические кабели являются наиболее распространенным способом передачи данных и на них не влияют электрические помехи.
  5. Поскольку эти кабели диэлектрические, искрообразование отсутствует.
  6. Эти кабели более устойчивы к коррозии, чем медные кабели, так как они гнутся легко и гибко.

Недостатки оптического волокна

Хотя волоконная оптика имеет множество преимуществ, они имеют следующие недостатки-

  1. Хотя оптоволоконный кабели служат дольше, стоимость монтажа высокая.
  2. Они хрупкие, если не заключен в пластиковую оболочку. Следовательно, требуется больше защиты, чем медь. единицы.
  3. Количество ретрансляторы должны быть увеличены на расстояние.

Применение волоконной оптики

  1. Используется в телефоне система.
  2. Используется в подводной лодке кабельная сеть.
  3. Используется в видеонаблюдении камеры наблюдения.
  4. Используется в больницах, школы и система управления дорожным движением.

Читайте также

Optical Fiber - Introduction, Working, Principle, Types and FAQ

Working of Optical Fiber

Волоконная оптика передает данные в виде фотонов, преобразуя световые частицы в световые импульсы через оптический кабель.Оптическое волокно состоит из двух частей: внутренней сердцевины из стекловолокна и внешней оболочки. Каждый из них имеет свой показатель преломления, чтобы отражать падающий свет.

Когда импульс света проходит через оптическое волокно, он отражается и отражается от сердцевины и оболочки зигзагообразным движением в результате процесса, называемого полным внутренним отражением. Полное внутреннее отражение можно определить как явление, которое происходит, когда световые лучи перемещаются из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду.

Световые сигналы распространяются со скоростью около 70% скорости света из-за более плотной среды. Оптическое волокно обычно состоит из ретрансляторов, установленных через определенные промежутки времени, чтобы повысить мощность сигнала и преобразовать его в электрический сигнал. Затем этот электрический сигнал обрабатывается и используется для передачи оптических сигналов.

Принцип оптического волокна

Оптическое волокно представляет собой тонкую нить из длинного тонкого материала, которая обычно имеет форму цилиндра. Его сердцевина расположена по центру и имеет слой внешнего защитного покрытия, называемого облицовкой.Сердцевина и оболочка изготовлены из разных материалов. Когда свет проходит через сердцевину, он проходит очень медленно, а затем передается на оболочку. Оболочка дополнительно отражает свет обратно к сердцевине и так далее.

(изображение будет загружено в ближайшее время)

Когда свет от сердцевины попадает на границу оболочки под углом менее 90 °, он отражается от нее. Свет никоим образом не выходит, а выходит только из конца волокна. Оболочка кабеля обычно повреждается при появлении царапин.Чтобы защитить это повреждение, для защиты облицовки наносится пластиковое покрытие, такое как буфер. Это буферное волокно обычно находится в жестком слое, известном как оболочка. Таким образом, волокно легко функционирует без каких-либо повреждений.

Типы оптического волокна

Оптические волокна бывают двух типов:

  • Одномодовые волокна

  • Многомодовые волокна

  1. Одномодовые оптические волокна используются для преобразования информации на большие расстояния .Он имеет небольшой диаметр в сердцевине из стекловолокна, благодаря чему уменьшается возможность затухания, то есть снижения мощности сигнала. Меньший конец волокна преобразует свет в единый луч и фокусирует его по прямому маршруту, чтобы он перемещался на большое расстояние. Одномодовое волокно имеет большую полосу пропускания по сравнению с многомодовой полосой пропускания. В этом режиме в качестве источника света используется лазер. Одномодовые оптические волокна намного дороже, поскольку требуют точных расчетов для получения света в небольших отверстиях.

  2. Многомодовое оптическое волокно имеет большее отверстие в сердечнике, которое отскакивает и отражает на всем пути, передавая его на меньшее расстояние. Из-за его большего диаметра одновременно может быть отправлено несколько световых лучей, и, следовательно, происходит больший объем передачи данных. Потери сигнала, помехи и уменьшение в этом случае больше. Светодиод обычно используется в многомодовом оптическом волокне для создания источника света.

(изображение будет загружено в ближайшее время)

Оптическое волокно классифицируется по показателю преломления следующим образом:

  • Волокна со ступенчатым показателем преломления: Волокна со ступенчатым показателем преломления состоят из сердцевины, которая окружена оболочка с равномерным показателем преломления.

  • Волокна с градиентным показателем преломления: В волокнах с градиентным показателем преломления показатель преломления оптического волокна постепенно уменьшается по мере увеличения радиального расстояния от оси волокна.

Классификация оптического волокна на основе используемых материалов следующая:

  • Пластиковые оптические волокна: в пластиковых оптических волокнах полиметилметакрилат используется в качестве материала сердцевины для передачи света.

  • Стекловолокно: Стекловолокно состоит из очень тонких стекловолокон.

Оптические волокна - Принцип работы - Физика

Эту статью написали Джони Нурми, Чжэнь Ши и Сун Хай


[1] Источник рисунка: http://fiberoptic101.blogspot.fi/2010/11/history-of-fiber-optic.html

Принцип действия

Волоконно-оптические кабели - это очень прозрачные цилиндрические каналы для света. Эти кабели изготовлены из двух материалов с разными показателями преломления.Это создает оптимальный волновод для передачи света. Когда свет попадает в волокно, изготовленное из материала с более высоким показателем преломления, чем окружающая его оболочка, он остается внутри материала из-за полного внутреннего отражения и, таким образом, проходит вперед.

Показатель преломления

Показатель преломления - это мера скорости света в материале. По определению, вакуум имеет показатель преломления 1 (c в вакууме = 1). Чем выше индекс, тем медленнее свет распространяется в материале.Типичное значение для сердцевины волокна составляет 1,62, а для оболочки - 1,52.

Полное внутреннее преломление:

Когда свет, проходящий внутри материала, попадает на границу, он частично преломляется и частично отражается. Однако, если угол больше критического угла материалов, он полностью отражается обратно. Чтобы это произошло, материал, в котором проходит свет, должен иметь более высокий показатель преломления, чем материал снаружи.

Многомодовое волокно

В технологии оптического волокна многомодовое волокно - это оптическое волокно, которое предназначено для одновременного переноса нескольких световых лучей или мод, каждый из которых имеет немного разный угол отражения внутри сердцевины оптического волокна.Передача по многомодовому волокну используется на относительно коротких расстояниях, поскольку моды имеют тенденцию распространяться на большие расстояния.

Многорежимный кабель

имеет немного больший диаметр, с обычными диаметрами в диапазоне от 50 до 100 микрон для светонесущего компонента (в США наиболее распространенным размером является 62,5 мкм). В большинстве приложений, в которых используется многомодовое волокно, используются 2 волокна (WDM обычно не используется в многомодовом волокне). POF - это новый кабель на пластиковой основе, который обещает такие же характеристики, как и стеклянный кабель, на очень коротких расстояниях, но при более низкой стоимости.

Многомодовое волокно

обеспечивает широкую полосу пропускания на высоких скоростях (от 10 до 100 Мбит / с - гигабит до 275–2 км) на средних расстояниях. Световые волны рассеиваются по многочисленным путям или видам, когда они проходят через сердечник кабеля, обычно 850 или 1300 нм. Типичные диаметры сердцевины многомодового волокна составляют 50, 62,5 и 100 микрометров. Однако в длинных кабелях (более 3000 футов 914,4 метра) множественные световые пути могут вызвать искажение сигнала на принимающей стороне, что приведет к нечеткой и неполной передаче данных, поэтому разработчики теперь призывают использовать одномодовое волокно в новых приложениях, использующих гигабитные и вне.

Одномодовое волокно

В технологии [оптическое волокно | http: //searchtelecom.techtarget.com/definition/optical-fiber] одномодовое волокно - это оптическое волокно, которое предназначено для передачи одного луча или моды света в качестве носителя и используется для передачи сигналов на большие расстояния.

Одномодовый кабель

- это одиночная опора (в большинстве приложений используется 2 волокна) из стекловолокна диаметром от 8,3 до 10 микрон, имеющая один режим передачи. Одномодовое волокно с относительно узким диаметром, через которое будет распространяться только одна мода, обычно 1310 или 1550 нм.Имеет более широкую полосу пропускания, чем многомодовое волокно, но требует источника света с узкой спектральной шириной.

Одномодемное волокно

используется во многих приложениях, где данные передаются на нескольких частотах (WDM-мультиплексирование с разделением волн), поэтому требуется только один кабель - (одномодовый на одном единственном волокне)

Одномодовое волокно обеспечивает более высокую скорость передачи и расстояние до 50 раз больше, чем многомодовое, но оно также стоит дороже. У одномодового волокна сердцевина намного меньше, чем у многомодового.Небольшая сердцевина и одиночная световая волна практически исключают любые искажения, которые могут возникнуть в результате наложения световых импульсов, обеспечивая наименьшее затухание сигнала и самые высокие скорости передачи среди всех типов волоконных кабелей.

Одномодовое оптическое волокно - это оптическое волокно, в котором только связанная мода низшего порядка может распространяться на интересующей длине волны, обычно от 1300 до 1320 нм.

Сравнение одномодового и многомодового волокна
Конструкции разные

[2] Источник рисунка: http: // www.rp-photonics.com/multimode_fibers.html

Коробки передач разные



[3] Источник рисунка: http://www.arcelect.com/fibercable.htm

Что такое волокна, сохраняющие поляризацию?

Волокно с сохранением поляризации - это одномодовое волокно специального назначения, оно сохраняет и передает состояние поляризации света, который в него попадает.

Зачем нужны волокна, сохраняющие поляризацию?

Причина, по которой нам нужны волокна с сохранением поляризации, заключается в том, что обычное одномодовое волокно не может поддерживать состояние поляризации входного лазерного луча.Поскольку в обычном одномодовом волокне входной поляризованный лазерный луч (состоящий из двух перпендикулярно поляризованных мод - горизонтальной и вертикальной) имеет одинаковую константу распространения (постоянная распространения - это мера изменения амплитуды волны при ее распространении в в заданном направлении), другими словами, они оба движутся с одинаковой скоростью (не очень хорошо). Это привело бы к передаче оптической энергии от одной из этих мод (горизонтальной или вертикальной) другой или «перекрестной пары». По этой причине одномодовое волокно не может поддерживать состояние поляризации входного лазерного луча.

Как работают волокна, сохраняющие поляризацию?

Затем для решения этой проблемы были изобретены волокна, сохраняющие поляризацию. Волокна с сохранением поляризации сконструированы таким образом, что две перпендикулярно поляризованные моды вынуждены перемещаться с разными постоянными распространения, что означает, что они перемещаются с разной скоростью. Эта разница в скоростях очень затрудняет передачу оптической энергии между собой. В результате сохраняется состояние поляризации входного лазерного луча.Это специальное волокно обычно используется в волоконно-оптических датчиках, интерферометрии и пластинчатых диэлектрических волноводах.

Поперечное сечение поддерживающих поляризацию волокон

Рисунок. 4. Поперечное сечение волокон, поддерживающих поляризацию [4]

На трех вышеприведенных рисунках показаны три различных типа волокон, сохраняющих поляризацию: «Панда», «Эллиптическая оболочка», «Галстук-бабочка». Волокна содержат уникальную особенность; у них есть стержни напряжения в волокнах (особенность, отсутствующая у других типов волокон).Стержни напряжения представляют собой две окружности в волокне Panda PM, эллиптическую оболочку из PM-волокна с эллиптической оболочкой и две бабочки из PM-волокна типа Bow-Tie. Самым важным свойством стержней напряжения является то, что они создают напряжение в сердцевине волокна, так что обеспечивается передача света только в одной плоскости поляризации.

Видео на YouTube - Краткое знакомство с волокнами, сохраняющими поляризацию

Видео.1. Краткое введение в волокна, сохраняющие поляризацию [5]

Артикул:

Принцип действия - Волокно специального назначения - http: // en.wikipedia.org/wiki/Optical_fiber

[2] Многомодовые волокна - http://www.rp-photonics.com/multimode_fibers.html

[3] Основа оптоволоконного кабеля (одномодовый и многомодовый) - http://www.arcelect.com/fibercable.htm/

[4] Что такое волокна, поддерживающие поляризацию? - http://www.fiberoptics4sale.com/wordpress/what-are-polarization-maintain-fibers/

[5] Что такое волокна с сохранением поляризации? - http: // www.youtube.com/watch?v=7rrb-_Iin-g

Войдите, чтобы комментировать.

Волоконная оптика - принципы, лежащие в основе волоконной оптики - свет, угол, материал и интерфейс

Волоконная оптика работает по принципу полного внутреннего отражения. Свет, достигающий границы между двумя материалами, отражается так, что никогда не покидает первый материал.В случае волоконной оптики свет отражается от границы раздела сердцевина-оболочка оптического волокна таким образом, что распространяется вниз по сердцевине волокна. Это можно объяснить кратким обсуждением закона преломления и отражения Снеллиуса, а также физической величины, известной как индекс донного материала. Согласно закону Снеллиуса, свет будет отклоняться от своего первоначального пути к большему углу во втором материале. По мере увеличения угла падения или падения увеличивается и угол преломления.Для правильно выбранных материалов угол падения может быть увеличен до точки, при которой луч преломляется под углом 90 градусов и никогда не выходит за пределы первой среды. Уравнение может быть решено, чтобы определить входной или падающий угол, в результате чего угол преломления составит 90 градусов.

Это называется критическим углом (см. Рисунок 2).

Рис. 1. Поперечное сечение кабеля. Иллюстрация Ганса и Кэссиди. Предоставлено Gale Group.

Свет, падающий на границу или поверхность раздела под углами, большими или равными этому значению, никогда не пройдет во второй материал, а скорее подвергнется полному внутреннему отражению.

Теперь немного измените модель, чтобы материал с более высоким показателем преломления был зажат между двумя слоями с более низким показателем (см. Рисунок 3).

Свет входит в материал с более высоким показателем преломления, попадает в верхнюю границу раздела и отражается вниз, затем попадает на вторую поверхность раздела и отражается обратно вверх, и так далее. Подобно мрамору, отражающемуся от рельсов , свет будет проходить по волноводу. Эта картина по существу соответствует оптическому волокну в поперечном сечении. Свет, попадающий в волокно под критическим углом, будет отражаться от границы раздела и распространяться по волокну.

Однако нельзя игнорировать второй закон термодинамики .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *