Podstawowa koncepcja komunikacji światłowodowej.
Światłowód jest dielektrycznym falowodem, strukturą falowodu, która blokuje światło i propaguje światło w kierunku osiowym.
Bardzo cienkie włókno ze szkła kwarcowego, żywicy syntetycznej itp.
Światłowód jednomodowy: rdzeń 8-10um, płaszcz 125um
Światłowód wielomodowy: rdzeń 51um, płaszcz 125um
Sposób komunikacji polegający na przesyłaniu sygnałów optycznych za pomocą światłowodów nazywany jest komunikacją światłowodową.
Fale świetlne należą do kategorii fal elektromagnetycznych.
Zakres długości fal światła widzialnego wynosi 390-760 nm, część większa niż 760 nm to światło podczerwone, a część mniejsza niż 390 nm to światło ultrafioletowe.
Okno robocze fali świetlnej (trzy okna komunikacyjne):
Zakres długości fal stosowany w komunikacji światłowodowej mieści się w obszarze bliskiej podczerwieni
Region o krótkiej długości fali (światło widzialne, które gołym okiem jest pomarańczowym światłem) 850 nm pomarańczowe światło
Obszar długich fal (niewidzialny obszar światła) 1310 nm (teoretyczny minimalny punkt rozproszenia), 1550 nm (teoretyczny minimalny punkt tłumienia)
Struktura i klasyfikacja włókien
1.Struktura włókna
Idealna struktura włókien: rdzeń, płaszcz, powłoka, płaszcz.
Rdzeń i płaszcz wykonane są z materiału kwarcowego, a właściwości mechaniczne są stosunkowo delikatne i łatwe do złamania. Dlatego zazwyczaj dodaje się dwie warstwy warstwy powłoki, jedną warstwę żywicy i jedną warstwę nylonu, dzięki czemu elastyczne właściwości włókna spełniają wymagania praktycznego zastosowania projektu.
2.Klasyfikacja włókien optycznych
(1) Włókno dzieli się zgodnie z rozkładem współczynnika załamania światła w przekroju poprzecznym włókna: dzieli się je na włókno schodkowe (włókno jednolite) i włókno stopniowane (włókno niejednorodne).
Załóżmy, że rdzeń ma współczynnik załamania światła n1, a współczynnik załamania płaszcza wynosi n2.
Aby rdzeń mógł przepuszczać światło na duże odległości, warunkiem koniecznym do zbudowania światłowodu jest n1>n2
Rozkład współczynnika załamania światła jednolitego włókna jest stały
Prawo rozkładu współczynnika załamania światła dla niejednorodnego włókna:
Wśród nich △ – względna różnica współczynnika załamania światła
Α – współczynnik załamania światła, α=∞ – włókno o schodkowym rozkładzie współczynnika załamania światła, α=2 – włókno o rozkładzie współczynnika załamania według prawa kwadratowego (włókno stopniowane). Włókno to jest porównywane z innymi włóknami stopniowanymi. Dyspersja trybu jest minimalna optymalna.
(1) Według liczby modów przesyłanych w rdzeniu: podzielone na światłowód wielomodowy i światłowód jednomodowy
Wzór ten odnosi się do rozkładu pola elektromagnetycznego światła transmitowanego w światłowodzie. Różne rozkłady pól to inny tryb.
jednomodowy (w włóknie przesyłanych jest tylko jeden mod), wielomodowy (w włóknie przesyłanych jest jednocześnie wiele modów)
Obecnie, w związku z rosnącymi wymaganiami dotyczącymi szybkości transmisji oraz zwiększającą się liczbą transmisji, sieć metropolitalna rozwija się w kierunku dużych prędkości i dużych przepustowości, dlatego większość z nich to włókna schodkowe jednomodowe. (Charakterystyka transmisji sama w sobie jest lepsza niż w przypadku światłowodu wielomodowego)
(2) Charakterystyka światłowodu:
① Charakterystyka strat światłowodu: Fale świetlne są przesyłane w światłowodzie, a moc optyczna stopniowo maleje wraz ze wzrostem odległości transmisji.
Przyczyny utraty włókien obejmują: utratę sprzężenia, utratę absorpcji, utratę rozproszenia i utratę promieniowania zginającego.
Strata sprzężenia to strata spowodowana sprzężeniem pomiędzy włóknem a urządzeniem.
Straty absorpcyjne powstają na skutek absorpcji energii świetlnej przez materiały włókniste i zanieczyszczenia.
Stratę rozpraszania dzieli się na rozpraszanie Rayleigha (niejednorodność współczynnika załamania światła) i rozpraszanie falowodu (nierówność materiału).
Strata promieniowania zginającego to strata spowodowana zginaniem włókna, prowadząca do trybu promieniowania spowodowanego zginaniem włókna.
② Charakterystyka dyspersji światłowodu: Różne składowe częstotliwości w sygnale przesyłanym przez światłowód mają różne prędkości transmisji, a zjawisko fizyczne zniekształceń spowodowane poszerzaniem impulsu sygnału po dotarciu do terminala nazywa się dyspersją.
Dyspersja dzieli się na dyspersję modową, dyspersję materiałową i dyspersję falowodową.
Podstawowe elementy systemów komunikacji światłowodowej
Wyślij część:
Sygnał modulacji impulsu wychodzący z nadajnika elektrycznego (zacisku elektrycznego) jest przesyłany do nadajnika optycznego (sygnał wysyłany przez sterowany programowoprzełącznikjest przetwarzany, kształtowany jest przebieg, odwrotność wzoru zamieniana… na odpowiedni sygnał elektryczny i wysyłany do nadajnika optycznego)
Podstawową rolą nadajnika optycznego jest konwersja sygnału elektrycznego na sygnał optyczny wprowadzany do światłowodu.
Część odbiorcza:
Przetwarzanie sygnałów optycznych przesyłanych światłowodami na sygnały elektryczne
Przetwarzanie sygnału elektrycznego jest przywracane do pierwotnego sygnału modulowanego impulsowo i wysyłane do terminala elektrycznego (sygnał elektryczny wysyłany przez odbiornik optyczny jest przetwarzany, kształtowany jest kształt fali, odwrotność wzoru jest odwracana… odpowiedni sygnał elektryczny jest odesłany do programowalnegoprzełącznik)
Część transmisyjna:
Światłowód jednomodowy, wzmacniacz optyczny (elektryczny wzmacniacz regeneracyjny (wzmocnienie konwersji optyczno-elektryczno-optycznej, opóźnienie transmisji będzie większe, obwód decyzyjny impulsu zostanie wykorzystany do kształtowania kształtu fali i synchronizacji), wzmacniacz światłowodowy domieszkowany erbem (uzupełnia wzmocnienie na poziomie optycznym, bez kształtowania przebiegu)
(1) Nadajnik optyczny: Jest to nadajnik-odbiornik optyczny realizujący konwersję elektryczną/optyczną. Składa się ze źródła światła, sterownika i modulatora. Funkcja polega na modulowaniu fali świetlnej z maszyny elektrycznej na falę świetlną emitowaną przez źródło światła, tak aby stała się falą przyciemnioną, a następnie łączenie zmodulowanego sygnału optycznego ze światłowodem lub kablem optycznym w celu transmisji.
(2) Odbiornik optyczny: to optyczny nadajnik-odbiornik realizujący konwersję optyczną/elektryczną. Wzór użytkowy składa się z obwodu wykrywającego światło i wzmacniacza optycznego, a jego funkcją jest konwersja sygnału optycznego przesyłanego przez światłowód lub kabel optyczny na sygnał elektryczny za pomocą detektora optycznego, a następnie wzmocnienie słabego sygnału elektrycznego do wystarczający poziom w obwodzie wzmacniającym, który ma zostać przesłany do sygnału. Końcówka odbiorcza maszyny elektrycznej idzie.
(3) Światłowód/kabel: Światłowód lub kabel stanowi ścieżkę transmisji światła. Funkcja polega na przesyłaniu przyciemnionego sygnału wysyłanego przez koniec nadawczy do detektora optycznego na końcu odbiorczym po transmisji na duże odległości przez światłowód lub kabel optyczny, aby zakończyć zadanie przesyłania informacji.
(4) Wzmacniacz optyczny: składa się z fotodetektora, źródła światła i obwodu regeneracji decyzyjnej. Istnieją dwie funkcje: jedna polega na kompensacji tłumienia sygnału optycznego transmitowanego w światłowodzie; drugim jest kształtowanie impulsu zniekształcenia kształtu fali.
(5) Elementy pasywne, takie jak złącza światłowodowe, łączniki (nie ma potrzeby oddzielnego zasilania, ale urządzenie nadal jest stratne): Ponieważ długość światłowodu lub kabla jest ograniczona procesem ciągnienia światłowodu i warunkami konstrukcji kabla oraz długość światłowodu jest również limitem (np. 2 km). Dlatego też może wystąpić problem połączenia wielu włókien optycznych w jedną linię światłowodową. Dlatego też niezbędne jest łączenie włókien optycznych, łączenie i sprzęganie włókien optycznych z transceiverami optycznymi oraz stosowanie elementów pasywnych, takich jak złącza i sprzęgacze optyczne.
Wyższość komunikacji światłowodowej
Szerokość pasma transmisji, duża pojemność komunikacyjna
Niskie straty transmisji i duża odległość przekaźnika
Silne zakłócenia antyelektromagnetyczne
(Poza siecią bezprzewodową: sygnały bezprzewodowe mają wiele efektów, korzyści związane z wielodrożnością, efekty cienia, zanik Rayleigha, efekty Dopplera
W porównaniu z kablem koncentrycznym: sygnał optyczny jest większy niż kabel koncentryczny i ma dobrą poufność)
Częstotliwość fali świetlnej jest bardzo wysoka, w porównaniu z innymi falami elektromagnetycznymi, zakłócenia są niewielkie.
Wady kabla optycznego: słabe właściwości mechaniczne, łatwe do złamania (poprawiają parametry mechaniczne, będą miały wpływ na odporność na zakłócenia), jego budowa zajmuje dużo czasu i zależy od warunków geograficznych.