Mikä on optisen kuidun periaate? Kuinka valo voidaan muuntaa muiksi signaaleiksi?

Optista kuitua käytetään kantoaineena valon siirtämiseen, ja millä periaatteella valo muunnetaan valokuidun molemmissa päissä tarvittavaksi signaaliksi?

 

Optisen kuidun periaate

1, optisen kuidun siirtomateriaali:

Integroidussa johdotusjärjestelmässä käytetty optinen kuitu on lasinen monimuotoinen 850 nm aallonpituus LED, jonka siirtonopeus on 100 M/bps ja tehollinen kantama noin 20 km. Ydin ja kuori koostuvat kahdesta materiaalista, joilla on erilaiset optiset ominaisuudet. Sisällä olevalla väliaineella on korkeampi valon taitekerroin kuin sitä ympäröivällä väliaineella. Fysiikasta voidaan tietää, että kahden median rajapinnassa, kun valoa ammutaan korkean taitekertoimen puolelta korkean taitekertoimen puolelle, niin kauan kuin tulokulma on suurempi kuin kriittinen arvo, heijastusilmiö tapahtuu, eikä energia häviä. Tällä hetkellä ulkokerroksen ympärillä oleva pinnoite toimii läpinäkymättömänä materiaalina, joka estää valoa karkaamasta pinnalta tunkeutumisprosessin aikana. Vain ne valonsäteet, joilla on pieni alkutulokulma, taittuvat ja absorboituvat ulompaan materiaaliin lyhyen matkan sisällä.

Tällä hetkellä tuotetut optiset kuidut, olivatpa ne sitten lasia tai muovia, voivat siirtää kaiken näkyvän valon ja osan infrapunaspektristä. Kuidusta valmistetuilla valokaapeleilla on erilaisia ​​rakenteellisia muotoja. Lyhyen matkan kaapeleita on kahta päätyyppiä, yksi kerrosrakennekaapeli on teräslangan tai nailonlangan keskellä, uloimmassa nipussa on useita optisia kuituja ja ulkopuolelle on lisätty kerros muovivaippaa; Toinen on suuritiheyksinen valokuitukaapeli, jossa on useita kerroksia nauhaa päällekkäin, ja jokainen nauhakerros on asetettu rinnakkain valokuitujen riveihin.

Kuidusta valmistetuilla valokaapeleilla on erilaisia ​​rakenteellisia muotoja. Lyhyille etäisyyksille tarkoitettuja kaapeleita on kahta päätyyppiä, yksikerroksinen rakenne. Optinen kaapeli on teräslangan tai nailonlangan keskellä, ulkonipussa on useita optisia kuituja, ja ulkopuolelle on lisätty kerros muovivaippaa; Toinen on suuritiheyksinen valokuitukaapeli, jossa on useita kerroksia nauhaa päällekkäin, ja jokainen nauhakerros on asetettu rinnakkain valokuitujen riveihin.

2, optisen kuidun siirtoprosessi:

Valodiodin LEDin tai injektoidun laserdiodin ILD lähettämä valosignaali etenee optista mediaa pitkin, ja PIN- tai APD-valodiodi vastaanottaa signaalin ilmaisimena toisessa päässä. Optisen kantoaallon modulointi on amplitudisiirtoavainnointia, joka tunnetaan myös intensiteettimodulaationa (IntensityModulation). Tyypillisesti kahta binaarilukua edustaa valon ilmestyminen ja katoaminen tietyllä taajuudella. Sekä LED- että injektoitu laserdiodi ILD-signaali voidaan moduloida tällä tavalla, jolloin PIN- ja ILD-ilmaisimet vastaavat suoraan kirkkausmodulaatioon.

Tehonvahvistin - Optinen vahvistin sijoitetaan optisen lähettimen eteen lisäämään tulevan kuidun optista tehoa. Koko linjajärjestelmän optista tehoa parannetaan. Online-relevahvistus - Kun rakennusryhmä on suuri tai rakennusten välinen etäisyys on pitkä, sillä voi olla relevahvistin rooli optisen tehon parantamiseksi. Esivahvistus - Vastaanottopäässä olevan fotodetektorin jälkeen mikrosignaali vahvistetaan vastaanottokyvyn parantamiseksi.

3, optisen kuidun siirto-ominaisuudet:

Optisia kaapeleita ei ole helppo haarata, koska ne välittävät optisia signaaleja, joten niitä käytetään yleensä point-to-point -yhteyksiin. Kokeellisia monipistejärjestelmiä kuituoptisilla väylätopologioilla on rakennettu, mutta ne ovat edelleen liian kalliita. Periaatteessa, koska kuidun tehohäviö on pieni, lasku vähenee, kaistanleveyspotentiaali on suuri, joten yleinen kuitu voi tukea hanojen määrää enemmän kuin kierretty pari tai koaksiaalikaapeli. Tällä hetkellä edullinen ja luotettava lähetin on valodiodi-LED, jonka aallonpituus on 0,85 um ja joka tukee 100 Mbps:n siirtonopeutta ja 1,5 - 2KM:n lähiverkkoa. Laserdiodin lähetin on kallis eikä voi täyttää miljoonan tunnin käyttöikää.

Led-ilmaisimen nastat, jotka toimivat {{0}},85um aallonpituuksilla, ovat myös edullisia vastaanottimia. Lumivyöryvalodiodin signaalivahvistus on suurempi kuin PIN-koodin, mutta se tarvitsee 20 - 50V virtalähteen, kun taas PIN-tunnistin tarvitsee vain 5 V:n virtalähteen. Pidemmillä etäisyyksillä ja suuremmilla nopeuksilla voidaan käyttää 1,3 um aallonpituusjärjestelmää, jolla on vähän vaimennusta, mutta joka on kalliimpi kuin 0,85 um aallonpituusjärjestelmä. Lisäksi sopiva optinen kuituliitin on myös erittäin tärkeä, sillä jokaisen liittimen yhteyshäviön on oltava alle 25 dB, helppo asentaa ja hinta on edullinen. Mitä suurempi kuidun ydin ja aukko on, mitä enemmän valoa se saa LEDistä, sitä parempi sen suorituskyky. Kuitu, jonka ytimen halkaisija on 100 um ja päällysteen halkaisija 140 um, voi tarjota melko hyvän suorituskyvyn. Se vastaanottaa 4 dB enemmän valoenergiaa kuin 62,5/125um kuitu ja 8,5 dB enemmän kuin 50/125um kuitu. 0,8 um kulkevan kuidun vaimennus on 6 dB/Km ja 1,3 um kulkevan kuidun vaimennus on 4 dB/Km. 0,8 um optisen kuidun kaistanleveys on 150 MHz/km ja 1,3 um optisen kuidun kaistanleveys 500 MHz/km.

Integroidussa kaapelointijärjestelmässä on erittäin sopivaa ja tarpeellista käyttää valokuitua päärungon siirtovälineenä.
Tällä hetkellä eräänlainen optinen WAVELENGTH DIVISION -multipleksointitekniikka WDM (Wavelength division MULTI-PLEXING) voidaan multipleksoida, lähettää ja lähettää linjalla, yleensä tavun kahdeksanbittisen rinnakkaislähetyksen mukaisesti, käyttämällä eri aallonpituuksia kullekin bittivirralle, joten sen on tuettava piiri voi toimia alhaisella nopeudella. WDM:n optinen kuitulinkki on uusi tiedonsiirtojärjestelmä, joka soveltuu tavuleveyteen laiterajapintaan.

(l) Laserviestintä

Valon käyttö tiedon välittämiseen on nykyään hyvin yleistä. Esimerkiksi laivat käyttävät valoja kommunikoidakseen ja liikennevalot punaista, keltaista ja vihreää. Mutta kaikki nämä tavat välittää tietoa tavallisella valolla voidaan rajoittaa vain lyhyille etäisyyksille. Jos haluat välittää tietoa suoraan kaukaisiin paikkoihin valon kautta, et voi käyttää tavallista valoa, vaan käyttää vain lasereita.

Joten miten toimitat laserin? Tiedämme, että sähköä voidaan kuljettaa kuparilankoja pitkin, mutta valoa ei voi kuljettaa tavallisia metallilankoja pitkin. Tätä tarkoitusta varten tutkijat ovat kehittäneet valoa läpäisevän filamentin, jota kutsutaan optiseksi kuiduksi, jota kutsutaan kuiduksi. Optinen kuitu on valmistettu erikoislasimateriaaleista, halkaisija on ohuempi kuin ihmisen hiukset, yleensä 50-150 mikronia ja erittäin pehmeä.

Itse asiassa kuidun sisäydin on korkea taitekerroin läpinäkyvää optista lasia, ja ulompi pinnoite on valmistettu matalan taitekertoimen lasista tai muovista. Sellainen rakenne voi toisaalta saada valon taittumaan sisäydintä pitkin, kuten vesiputkessa eteenpäin virtaavan veden, johdossa eteenpäin kulkevan sähkön, vaikka tuhansilla käännöksillä ei olisi vaikutusta. Toisaalta matalan taitekertoimen pinnoite voi estää valoa vuotamasta ulos, kuten vesiputki ei tihku eikä johdon eristekerros johda sähköä.

Valokuidun ulkonäkö ratkaisee valon läpäisytavan, mutta se ei tarkoita, että sen avulla mikä tahansa valo voisi siirtyä hyvin kauas. Vain korkea kirkkaus, puhdas väri, hyvä suunnattu laser, on ihanteellinen valonlähde tiedon välittämiseen, se tulee kuidun yhdestä päästä, lähes häviötä ja lähtö toisesta päästä. Siksi optinen viestintä on pohjimmiltaan laserviestintää, jonka etuna on suuri kapasiteetti, korkea laatu, laaja materiaalilähde, vahva luottamuksellisuus, kestävyys jne. ja jota tiedemiehet pitävät vallankumouksena viestinnän alalla, ja se on yksi teknologisen vallankumouksen loistavimmista saavutuksista.

Missä laserviestintä on edistynyt? Laserviestinnän ensimmäinen etu on suuri kapasiteetti. Kuinka suuri sen kapasiteetti on? Kun puhumme yleensä puhelimessa, puhumme toisiinsa liittymättömillä äänillä, jotka joskus sekoittuvat. Tämä tappeluilmiö johtuu siitä, että puhelinlinjaan voidaan soittaa vain yksi puhelu, ja jos toinen puhelin tulee sisään, normaalit kaksi puolta puhelimen toimintaa häiritään. Jos yhdellä puhelinlinjalla puhuu 10 henkilöä samaan aikaan, se vastaa 20 henkilöä puhuu samanaikaisesti, viestintää ei ole ollenkaan. Tämän ongelman ratkaisemiseksi on tarpeen käyttää kantoaaltoa ja muita menetelmiä kunkin puhelimen tekemiseksi kullakin taajuuskaistalla. Koska tavallisten puhelimien taajuusalue on 300 ~ 400 hertsiä ja puhelinlinjaparin korkein taajuus on vain 1500 KHZ, joten puhelinparilla voidaan siirtää vain tusinaa puhelinta samanaikaisesti. Sellainen tietoliikennekapasiteetti ei selvästikään vastaa nykypäivän tietoyhteiskunnan vaatimuksia.

Jos verrataan tavallisen puhelimen lähetystietoja vaunuun, niin laserviestintä on auto. Koska laserien taajuus on paljon suurempi kuin radioaaltojen, laserviestinnän tietokapasiteetti on miljardi kertaa suurempi kuin sähköisen viestinnän. Hiusta ohuempi valokuitu voi kuljettaa kymmeniä tuhansia puheluita tai tuhansia televisio-ohjelmia. 20 valokuitukaapelia ovat kynän paksuisia ja pystyvät käsittelemään 76 200 puhelua päivässä. Vertailun vuoksi: 1 800 kuparilangasta koostuva kaapeli, jonka halkaisija on noin 7,6 senttimetriä, voi soittaa vain 900 puhelua päivässä.

Erityisen yllättävää on, että valokuituviestintä soveltuu erityisen hyvin television, kuvan ja digitaalisen siirtoon. On raportoitu, että valokuitupari voi lähettää koko Encyclopaedia Britannican minuutissa.

Lisäksi optisten kuitujen valmistuksessa käytetään kvartsia, jota esiintyy kaikkialla maapallolla, ja vain muutamalla grammalla kvartsia voidaan tehdä 1 kilometrin pituisia optisia kuituja. Tällä tavalla raaka-aineet eivät ole ehtymättömiä, vaan myös kuparia ja alumiinia voidaan säästää huomattavasti. Tämän vuoksi maailman kehittyneet maat kilpailevat laserviestinnän opiskelusta. Joten laserviestinnästä on tullut kehityksen kulta.

Viestintätekniikan historiassa valokuituviestintätekniikan kehitys on ennennäkemätöntä. Viestintätekniikan historiassa on useita virstanpylväitä. Puhelimen keksiminen ja soveltaminen kesti noin 60 vuotta, ja puhelinviestintä on edelleen laajalti käytössä. Radiotekniikat, kuten lennätin, kesti myös noin 30 vuotta keksimisestä sovellukseen. Vaikka televisiotekniikka on kehittynyt nopeasti, se on edelleen ollut raskausaikaa noin 14 vuotta. Laserviestintä, ensimmäisen vähähäviöisen optisen kuidun syntymästä sovellukseen, yhteensä vain 5 vuotta. Nyt laserviestintä ei ole vain laajalti käytetty, vaan se muodosti myös valtavat valokuitumarkkinat.

Toukokuussa 1977 Yhdysvalloissa oli suuri Telegraph and Telephone Company -niminen yritys, joka loi maailman ensimmäisen lyhyen matkan optisen kuituviestintälinjan kahden Chicagon puhelintoimiston välille ja perusti sitten lyhyen matkan laserviestintälinjan. joiden kokonaispituus on satoja kilometrejä lähes 100 paikassa ympäri Yhdysvaltoja. Tämä tarkoittaa, että lyhyillä etäisyyksillä laserviestintä on alkanut korvata tavallista sähköistä viestintää. Vuoteen 1983 mennessä 600 kilometriä optista kuituviestintää New Yorkin ja Bostonin välillä oli otettu käyttöön.

Yhdysvaltoja seuraa tiiviisti Japani. Vuonna 1984 Japani sai valmiiksi pitkän matkan optisen kuituviestinnän runkolinjan Sapporosta Hokkaidossa Fukuokaan Kyushun osavaltiossa. Kokonaispituus on 2 800 kilometriä, joka yhdistää yli 30 kaupunkia. Joulukuussa 1993 laskettiin onnistuneesti valokaapeli Itä-Kiinan meren yli Kiinan ja Japanin välillä. Myös 10,000-kilometriä pitkä merenalainen kaapeli Tyynenmeren yli Japanin ja Yhdysvaltojen välillä suunnitellaan.

Valokuituviestinnän voimakkaan kehityksen vuoksi Yhdysvallat, Japani, Iso-Britannia, Ranska ja muut teollisuusmaat ovat perustaneet optisen kuidun, optisten kaapelien tuotantoyrityksiä. Maailman kolmen kuuluisan valokuitu- ja kaapeliyhtiön – yhdysvaltalaisen Western Electric Companyn, Corning Companyn ja japanilaisen Sumitomo Corporationin – valokuitutuotanto on yli 120,000 kilometriä vuodessa.

Lyhyesti sanottuna teollisuusmaat ovat perustaneet kansallisen kuituoptisen viestintäverkon korvatakseen nykyisen kuparilangan ja -kaapelin kokonaan, tämän laajan teknisen projektin arvioidaan valmistuvan vuoteen 2000 mennessä. Tuolloin laserviestintä tuo suuria muutoksia planeetallemme. Voit esimerkiksi käyttää valokuituverkkoja asiakirjojen käsittelyyn tai osallistua kokoukseen kotona poistumatta kotoa. Tai liitä kodin valokuituverkko kauppakeskukseen, aivan kuin olisit supermarketissa, istuisit kotona ostamaan tarvitsemasi tavarat, ja maksu tarvitsee vain selvittää sähköisellä talousostojärjestelmällä. Lääkärikeskukset ympäri maailmaa voivat myös tarkastella potilaan tilaa ja laboratorioraporttia näytöltä ja kirjoittaa sen mukaan reseptin, jotta todella saavutetaan "tutkija ei mene ulos, tunne maailmaa", "strategioi teltassa, ratkaiseva voitto tuhansien kilometrien päässä".

Myös laserit ja valokuitu voivat siirtää kuvia. Ensinnäkin yksittäinen optinen kuitu, jonka halkaisija on pienempi kuin hiukset, yhdistetään kuitukimppuksi. Tiedonsiirtoprosessissa käytetään yleisesti kahdenlaisia ​​kuitukimppuja: toista kutsutaan valonsäteeksi ja toista kuvasäteeksi. Säteen siirron tehtävänä on kuljettaa valoa päästä toiseen. Säteen läpäisyrakenne on suhteellisen yksinkertainen, se koostuu useista monofilamenteista, jotka on liitetty yhteen, ja sitten päätypinta kiillotetaan ja hiotaan valon heijastuksen ja sirontahäviön vähentämiseksi kuituun, ja sitten muovivaippa asetetaan. säteen lähetyksen ulkopuolella.

Koska valokuitu voi välittää vain yhden pisteen, koko kuvan välittämiseksi optiset ohjauskuidut on järjestettävä siististi yksitellen siten, että valokuitukimppua kutsutaan kuvasäteeksi.

Kuvansiirtonipussa kaikki optiset kuidut on järjestetty siististi ja molempien päiden paikat vastaavat tarkasti yksitellen, mikä ei ole ollenkaan kaoottista, aivan kuin siisti syömäpuikko. Esimerkiksi, jos optisen kuidun toinen pää on kuvansiirtosäteen kahdeksannessa rivissä ja kahdeksannessa sarakkeessa, niin sen toinen pää on myös kahdeksannessa tai kahdeksannessa.

Kuvia siirrettäessä kuvasäde jakaa kuvan ensin mesh-muotoon, eli kuva pilkotaan lukemattomiksi pikseleiksi lukemattomilla optisilla kuiduilla ja lähetetään sitten ulos. Yksi optinen kuitu vastaa yhden pikselin lähettämisestä, ja lukemattomat optiset kuidut voivat siirtää koko kuvan toiseen päähän. Jos haluat tehdä kuvansiirrosta selkeää, on tarpeen valita ohuempi kuidun halkaisija, koska mitä ohuempi kuitu, sitä enemmän valoa voidaan sijoittaa tietylle kuvansiirtosäteelle, jolloin enemmän pikseleitä voidaan siirtää. On selvää, että mitä enemmän pikseleitä, sitä selkeämpi kuva.

Nykyään käytössä oleva kuvasäde koostuu kymmenistä tuhansista optisista kuiduista, eikä näin montaa valokuitua ole helppo järjestää siististi. Järjestyksen jälkeen epoksihartsiksi kutsuttua orgaanista liimaa liimataan kaksi päätä yhteen siten, että optinen kuitu on sidottu ja kiinnitetty varmistaen, että optiset kuidut molemmissa päissä vastaavat yksitellen. Molemmat päät tulee myös tasoittaa ja kiillottaa. Mitä tulee keskiosaan, sen ei tarvitse olla tiukasti liimattu, vaan löysä kuin erhun naru, ja tarvitsee vain lisätä suojaava muoviholkki ulkopuolelle, jotta kuvansiirtonippu on pehmeä ja sitä voidaan taivuttaa mielivaltaisesti.

Kuvien siirron lisäksi kuvakeila voi välittää myös yleisiä symboleja tai numeroita sekä suurentaa tai pienentää kuvaa.

Kuvan suurentamiseksi palkkia voidaan tehdä toisesta päästä suuremmaksi ja toisesta pienemmäksi, kuten kartio. Kun kuvaelementti siirretään pienestä päästä suureen päähän, koko kuva suurennetaan. Toisaalta, jos kuva lähetetään isosta päästä pieneen, koko kuva pienennetään.

Lisäksi optista kuitua voidaan käyttää kuvan vaihtamiseen. Jos valokuidun järjestelyä tarkoituksella häiritään tarpeen mukaan, ulostulopäässä oleva pikseli ei voi pudota alkuperäiseen vastaavaan pisteeseen, vaan pudota subjektiivisen käsityksen kohdalle, jolloin kuva muuttuu. Jos kuvaelementin tulopäässä oleva optinen kuitu tehdään neliömäiseksi ja ulostulopäässä oleva optinen kuitu pyöreäksi, voidaan neliön muotoinen kuvaelementti muuttaa pyöreäksi kuvaelementiksi.

Lyhyesti sanottuna valokuitukuvakeilalla on suuri kehityspotentiaali, ja se tulee yhä enemmän näyttämään ainutlaatuista rooliaan tulevaisuuden optisessa tietojenkäsittelytekniikassa.