Zalety komunikacji światłowodowej:
● Duże możliwości komunikacyjne
● Duża odległość przekaźnika
● Brak zakłóceń elektromagnetycznych
● Bogate zasoby
● Niewielka waga i mały rozmiar
Krótka historia komunikacji optycznej
Ponad 2000 lat temu, latarnie, semafory
1880, telefon optyczny – bezprzewodowa komunikacja optyczna
1970, komunikacja światłowodowa
● W 1966 roku, „ojciec światłowodu”, dr Gao Yong jako pierwszy zaproponował ideę komunikacji światłowodowej.
● W 1970 roku Lin Yanxiong z Instytutu Bell Yan był laserem półprzewodnikowym, który mógł pracować w sposób ciągły w temperaturze pokojowej.
● W 1970 r. firma Kapron z Corning odnotowała straty rzędu 20 dB/km światłowodu.
● W 1977 roku uruchomiono w Chicago pierwszą komercyjną linię o przepustowości 45Mb/s.
Widmo elektromagnetyczne
Podział pasm komunikacyjnych i odpowiadające im media transmisyjne
Załamanie/odbicie i całkowite odbicie światła
Ponieważ światło rozchodzi się w różny sposób w różnych substancjach, gdy jest emitowane z jednej substancji do drugiej, na styku obu substancji następuje załamanie i odbicie. Ponadto kąt załamania światła zmienia się wraz z kątem padania światła. Kiedy kąt padającego światła osiągnie lub przekroczy pewien kąt, załamane światło zniknie, a całe padające światło zostanie odbite. Jest to całkowite odbicie światła. Różne materiały mają różne kąty załamania dla tej samej długości fali światła (tzn. różne materiały mają różne współczynniki załamania światła), a te same materiały mają różne kąty załamania dla różnych długości fal światła. Komunikacja światłowodowa opiera się na powyższych zasadach.
Rozkład współczynnika odbicia: Ważnym parametrem charakteryzującym materiały optyczne jest współczynnik załamania światła, który jest reprezentowany przez N. Stosunek prędkości światła C w próżni do prędkości światła V w materiale jest współczynnikiem załamania światła materiału.
N = C / V
Współczynnik załamania światła szkła kwarcowego w komunikacji światłowodowej wynosi około 1,5.
Struktura włókien
Włókno światłowodowe jest ogólnie podzielone na trzy warstwy:
Pierwsza warstwa: środkowy rdzeń szklany o wysokim współczynniku załamania światła (średnica rdzenia wynosi zazwyczaj 9-10,0 mm).μm, (tryb jednomodowy) 50 lub 62,5 (tryb wielomodowy).
Druga warstwa: środkowa to okładzina ze szkła krzemionkowego o niskim współczynniku załamania światła (średnica wynosi zazwyczaj 125μM).
Trzecia warstwa: najbardziej zewnętrzna to powłoka żywiczna służąca wzmocnieniu.
1) rdzeń: o wysokim współczynniku załamania światła, służący do przepuszczania światła;
2) Powłoka okładzinowa: niski współczynnik załamania światła, tworząca warunek całkowitego odbicia z rdzeniem;
3) Kurtka ochronna: ma wysoką wytrzymałość i może wytrzymać duże uderzenia, aby chronić światłowód.
Kabel optyczny 3mm: pomarańczowy, MM, wielomodowy; żółty, SM, jednomodowy
Rozmiar włókna
Średnica zewnętrzna wynosi zazwyczaj 125um (średnio 100um na włos)
Średnica wewnętrzna: tryb pojedynczy 9um; wielomodowy 50 / 62,5um
Apertura numeryczna
Nie całe światło padające na czoło światłowodu może być przepuszczane przez światłowód, a jedynie światło padające w określonym zakresie kątów. Kąt ten nazywany jest aperturą numeryczną światłowodu. Większa apertura numeryczna światłowodu jest korzystna dla dokowania światłowodu. Różni producenci mają różne apertury numeryczne.
Rodzaj włókna
Ze względu na sposób transmisji światła w światłowodzie można je podzielić na:
Multi-Mode (w skrócie: MM); Jednomodowy (w skrócie: SM)
Światłowód wielomodowy: środkowy rdzeń szklany jest grubszy (50 lub 62,5μm) i może transmitować światło w wielu trybach. Jednakże jego rozproszenie międzymodowe jest duże, co ogranicza częstotliwość przesyłania sygnałów cyfrowych i będzie się pogłębiać wraz ze wzrostem odległości.Na przykład: światłowód 600MB/KM ma przepustowość tylko 300MB przy 2KM. Dlatego odległość transmisji światłowodu wielomodowego jest stosunkowo krótka, zwykle wynosi tylko kilka kilometrów.
Światłowód jednomodowy: środkowy rdzeń szklany jest stosunkowo cienki (średnica rdzenia wynosi zazwyczaj 9 lub 10,0 mm).μm) i może przepuszczać światło tylko w jednym trybie. W rzeczywistości jest to rodzaj światłowodu schodkowego, ale średnica rdzenia jest bardzo mała. Teoretycznie tylko bezpośrednie światło z jednej ścieżki propagacji może przedostać się do światłowodu i rozchodzić się prosto w rdzeniu światłowodu. Impuls światłowodowy jest ledwo rozciągnięty.Dlatego jego dyspersja międzymodowa jest niewielka i odpowiednia do komunikacji zdalnej, ale dyspersja chromatyczna odgrywa główną rolę. W ten sposób światłowód jednomodowy ma wyższe wymagania dotyczące szerokości widmowej i stabilności źródła światła, to znaczy szerokość widmowa jest wąska, a stabilność dobra. .
Klasyfikacja włókien optycznych
Według materiału:
Włókno szklane: rdzeń i płaszcz są wykonane ze szkła, z małymi stratami, dużą odległością transmisji i wysokimi kosztami;
Światłowód silikonowy pokryty gumą: rdzeń to szkło, a płaszcz to tworzywo sztuczne, które ma podobne właściwości do włókna szklanego i jest tańsze;
Plastikowy światłowód: zarówno rdzeń, jak i płaszcz są plastikowe, charakteryzują się dużymi stratami, krótką odległością transmisji i niską ceną. Stosowany głównie w urządzeniach gospodarstwa domowego, transmisji dźwięku i obrazu na małe odległości.
Według optymalnego okna częstotliwości transmisji: światłowód jednomodowy konwencjonalny i światłowód jednomodowy z przesuniętą dyspersją.
Typ konwencjonalny: Zakład produkcyjny światłowodów optymalizuje częstotliwość transmisji światłowodu na jednej długości fali światła, np. 1300 nm.
Typ z przesuniętą dyspersją: Producent światłowodów optymalizuje częstotliwość transmisji światłowodu na dwóch długościach fali światła, takich jak: 1300nm i 1550nm.
Nagła zmiana: Współczynnik załamania światła rdzenia światłowodu w stosunku do płaszcza szklanego jest gwałtowny. Ma niski koszt i wysoką dyspersję międzymodową. Nadaje się do komunikacji o małej prędkości na krótkich dystansach, np. w sterowaniu przemysłowym. Jednak światłowód jednomodowy wykorzystuje typ mutacji ze względu na małą dyspersję międzymodową.
Włókno gradientowe: współczynnik załamania światła rdzenia światłowodu w stosunku do okładziny szklanej jest stopniowo zmniejszany, umożliwiając propagację światła w trybie wysokim w postaci sinusoidalnej, co może zmniejszyć dyspersję między modami, zwiększyć szerokość pasma światłowodu i zwiększyć odległość transmisji, ale koszt jest Włókno o wyższym trybie to głównie włókno stopniowane.
Wspólne specyfikacje włókien
Rozmiar włókna:
1) Średnica rdzenia jednomodowego: 9/125μm, 10/125μm
2) Średnica płaszcza zewnętrznego (2D) = 125μm
3) Średnica zewnętrzna powłoki = 250μm
4) Warkocz: 300μm
5) Wielomodowy: 50/125μm, norma europejska; 62,5 / 125μm, amerykański standard
6) Sieci przemysłowe, medyczne i o niskiej prędkości: 100 / 140μm, 200/230μm
7) Plastik: 98 / 1000μm, używany do sterowania samochodami
Tłumienie włókien
Głównymi czynnikami powodującymi tłumienie włókien są: wewnętrzne, zginanie, ściskanie, zanieczyszczenia, nierówności i niedopałki.
Wewnętrzne: Jest to nieodłączna strata światłowodu, obejmująca: rozpraszanie Rayleigha, samoistną absorpcję itp.
Zgięcie: Kiedy włókno jest zgięte, część światła zostanie utracona w wyniku rozproszenia, co spowoduje utratę.
Ściskanie: strata spowodowana lekkim zgięciem włókna podczas jego ściskania.
Zanieczyszczenia: Zanieczyszczenia w światłowodzie pochłaniają i rozpraszają światło przechodzące przez włókno, powodując straty.
Niejednorodność: strata spowodowana nierównym współczynnikiem załamania światła materiału włóknistego.
Dokowanie: Straty generowane podczas dokowania światłowodu, takie jak: różne osie (wymagana współosiowość światłowodu jednomodowego jest mniejsza niż 0,8μm), powierzchnia czołowa nie jest prostopadła do osi, powierzchnia czołowa jest nierówna, średnica rdzenia doczołowego nie pasuje, a jakość łączenia jest niska.
Rodzaj kabla optycznego
1) Zgodnie ze sposobami układania: samonośne napowietrzne kable optyczne, rurociągowe kable optyczne, opancerzone podziemne kable optyczne i podwodne kable optyczne.
2) Zgodnie ze strukturą kabla optycznego wyróżniamy: kabel optyczny z wiązką tubową, kabel optyczny ze skrętką warstwową, kabel optyczny o mocnym uchwycie, kabel optyczny taśmowy, kabel optyczny niemetalowy i kabel optyczny rozgałęziony.
3) Według przeznaczenia: kable optyczne do komunikacji na duże odległości, kable optyczne zewnętrzne do komunikacji krótkodystansowej, kable hybrydowe i kable optyczne do budynków.
Podłączenie i zakończenie kabli optycznych
Podłączanie i zakańczanie kabli optycznych to podstawowe umiejętności, które musi opanować personel zajmujący się konserwacją kabli optycznych.
Klasyfikacja technologii połączeń światłowodowych:
1) Technologia łączenia światłowodu i technologia łączenia kabla optycznego to dwie części.
2) Koniec kabla optycznego jest podobny do podłączenia kabla optycznego, z tą różnicą, że działanie powinno być inne ze względu na różne materiały złącza.
Rodzaj połączenia światłowodowego
Łącza światłowodowe można ogólnie podzielić na dwie kategorie:
1) Stałe połączenie światłowodu (powszechnie zwane złączem martwym). Generalnie używaj spawarki światłowodowej; używany do bezpośredniej głowicy kabla optycznego.
2) Aktywne złącze światłowodu (powszechnie zwane złączem pod napięciem). Używaj łączników wymiennych (powszechnie zwanych luźnymi złączami). Do zworki światłowodowej, podłączenia sprzętu itp.
Ze względu na niekompletność powierzchni czołowej światłowodu i nierównomierność nacisku na powierzchnię czołową światłowodu, straty w splocie światłowodu przy jednym wyładowaniu są nadal stosunkowo duże, a metoda stapiania wyładowań wtórnych jest teraz używany. Najpierw podgrzej i rozładuj powierzchnię czołową włókna, uformuj powierzchnię czołową, usuń kurz i zanieczyszczenia oraz ujednolić nacisk końcowy włókna poprzez wstępne podgrzanie.
Metoda monitorowania utraty połączenia światłowodowego
Istnieją trzy metody monitorowania utraty połączenia światłowodowego:
1. Monitoruj na spawarce.
2. Monitoring źródła światła i miernika mocy optycznej.
3.Metoda pomiaru OTDR
Sposób działania połączenia światłowodowego
Operacje połączeń światłowodowych ogólnie dzielą się na:
1. Postępowanie z powierzchniami czołowymi włókien.
2. Instalacja przyłączeniowa światłowodu.
3. Spawanie światłowodu.
4. Zabezpieczenie złączy światłowodowych.
5. Pozostała taca z włóknami składa się z pięciu kroków.
Generalnie podłączenie całego kabla optycznego odbywa się według następujących kroków:
Krok 1: dużo dobrej długości, otwórz i zdejmij kabel optyczny, zdejmij osłonę kabla
Krok 2: Oczyść i usuń pastę naftową z kabla optycznego.
Krok 3: Zwiąż włókno.
Krok 4: Sprawdź liczbę rdzeni światłowodowych, wykonaj parowanie włókien i sprawdź, czy etykiety kolorów włókien są prawidłowe.
Krok 5: Wzmocnij połączenie serca;
Krok 6: Różne pary linii pomocniczych, w tym pary linii biznesowych, pary linii sterujących, ekranowane linie uziemiające itp. (jeśli dostępne są wyżej wymienione pary linii).
Krok 7: Podłącz światłowód.
Krok 8: Chroń złącze światłowodowe;
Krok 9: magazynowanie pozostałego włókna;
Krok 10: Zakończ podłączanie osłony kabla optycznego;
Krok 11: Zabezpieczenie złączy światłowodowych
Utrata włókien
1310 nm: 0,35 ~ 0,5 dB/Km
1550 nm: 0,2 ~ 0,3 dB/Km
850 nm: 2,3 do 3,4 dB/Km
Strata punktu zgrzewania światłowodu: 0,08dB/punkt
Punkt spawu włókien 1 punkt/2km
Wspólne rzeczowniki włókniste
1) Tłumienie
Tłumienie: straty energii przy transmisji światła w światłowodzie jednomodowym 1310nm 0,4 ~ 0,6 dB/km, 1550nm 0,2 ~ 0,3 dB/km; światłowód plastikowy wielomodowy 300dB/km
2) Dyspersja
Dyspersja: Szerokość pasma impulsów świetlnych zwiększa się po przebyciu określonej odległości wzdłuż światłowodu. Jest to główny czynnik ograniczający prędkość transmisji.
Dyspersja międzymodowa: Występuje tylko we włóknach wielomodowych, ponieważ różne mody światła przemieszczają się różnymi drogami.
Dyspersja materiału: Różne długości fal światła przemieszczają się z różnymi prędkościami.
Dyspersja falowodu: Dzieje się tak, ponieważ energia świetlna przemieszcza się z nieco różnymi prędkościami, gdy przemieszcza się przez rdzeń i płaszcz. W światłowodzie jednomodowym bardzo ważna jest zmiana dyspersji światłowodu poprzez zmianę jego wewnętrznej struktury.
Typ włókna
Punkt zerowej dyspersji G.652 wynosi około 1300 nm
Punkt zerowej dyspersji G.653 wynosi około 1550 nm
Włókno z dyspersją ujemną G.654
Włókno G.655 z przesuniętą dyspersją
Włókno pełnofalowe
3) rozpraszanie
Z powodu niedoskonałej podstawowej struktury światła dochodzi do utraty energii świetlnej, a transmisja światła w tym momencie nie ma już dobrej kierunkowości.
Podstawowa znajomość systemów światłowodowych
Wprowadzenie do architektury i funkcji podstawowego systemu światłowodowego:
1. Jednostka wysyłająca: przetwarza sygnały elektryczne na sygnały optyczne;
2. Jednostka transmisyjna: ośrodek przenoszący sygnały optyczne;
3. Jednostka odbiorcza: odbiera sygnały optyczne i przetwarza je na sygnały elektryczne;
4. Podłącz urządzenie: podłącz światłowód do źródła światła, detekcji światła i innych włókien optycznych.
Typowe typy złączy
Typ powierzchni czołowej złącza
Łącznik
Główną funkcją jest dystrybucja sygnałów optycznych. Ważne zastosowania znajdują się w sieciach światłowodowych, szczególnie w sieciach lokalnych oraz w urządzeniach multipleksujących z podziałem długości fali.
podstawowa struktura
Sprzęgacz jest dwukierunkowym urządzeniem pasywnym. Podstawowe formy to drzewo i gwiazda. Łącznik odpowiada rozdzielaczowi.
WDM
WDM—Multiplekser z podziałem długości fali przesyła wiele sygnałów optycznych w jednym światłowodzie. Te sygnały optyczne mają różne częstotliwości i różne kolory. Multiplekser WDM ma za zadanie sprzęgać wiele sygnałów optycznych w tym samym światłowodzie; multiplekser demultipleksujący ma za zadanie rozróżnić wiele sygnałów optycznych z jednego światłowodu.
Multiplekser z podziałem długości fali (Legenda)
Definicja impulsów w układach cyfrowych:
1. Amplituda: Wysokość impulsu reprezentuje energię mocy optycznej w systemie światłowodowym.
2. Czas narastania: czas potrzebny na wzrost impulsu od 10% do 90% maksymalnej amplitudy.
3. Czas opadania: czas potrzebny, aby impuls spadł z 90% do 10% amplitudy.
4. Szerokość impulsu: Szerokość impulsu w pozycji amplitudy 50%, wyrażona w czasie.
5. Cykl: czas impulsu to czas pracy wymagany do zakończenia cyklu.
6. Współczynnik wygaszania: Stosunek mocy 1 światła sygnalizacyjnego do 0 mocy światła sygnalizacyjnego.
Definicja wspólnych jednostek w komunikacji światłowodowej:
1.dB = 10 log10 (wyjście/pin)
Pout: moc wyjściowa; Pin: moc wejściowa
2. dBm = 10 log10 (P/1mw), czyli jednostka szeroko stosowana w inżynierii komunikacyjnej; zwykle reprezentuje moc optyczną z 1 miliwatem jako odniesieniem;
przykład:–10dBm oznacza, że moc optyczna jest równa 100uw.
3.dBu = 10 log10 (P/1uw)