ידע בסיסי בסיבים אופטיים

המצאת סיבים אופטיים הניעה את המהפכה בתחום התקשורת. אם אין סיבים אופטיים שיספקו ערוצים במהירות גבוהה בעלת קיבולת גבוהה, האינטרנט יכול להישאר רק בשלב התיאורטי. אם המאה העשרים הייתה עידן החשמל, אז המאה ה -21 היא עידן האור. איך האור משיג תקשורת? בואו נלמד את הידע הבסיסי בתקשורת אופטית יחד עם העורך שלהלן.

חלק 1. ידע בסיסי בהפצת אור

הבנת גלי אור
גלי אור הם למעשה גלים אלקטרומגנטיים, ובמרחב הפנוי, אורך הגל ותדירות הגלים האלקטרומגנטיים הם פרופורציונליים הפוכים. התוצר של השניים שווה למהירות האור, כלומר:

מסדרים את אורכי הגל או התדרים של גלים אלקטרומגנטיים על מנת ליצור ספקטרום אלקטרומגנטי. על פי אורכי הגל או התדרים השונים, ניתן לחלק גלים אלקטרומגנטיים לאזור קרינה, אזור אולטרה סגול, אזור אור גלוי, אזור אינפרא אדום, אזור מיקרוגל, אזור גל רדיו ואזור גל ארוך. הלהקות המשמשות לתקשורת הן בעיקר אזור האינפרא אדום, אזור המיקרוגל ואזור הגל הרדיו. התמונה הבאה תעזור לך להבין את חלוקת להקות התקשורת ואת מדיה ההפצה המתאימה תוך דקות.

הגיבור של מאמר זה, "תקשורת סיבים אופטית", משתמש בגלי אור בלהקה האינפרא אדום. כשמדובר בנקודה זו, אנשים עשויים לתהות מדוע זה בטח בלהקת האינפרא אדום? סוגיה זו קשורה לאובדן ההולכה האופטי של חומרי סיבים אופטיים, כלומר זכוכית סיליקה. בשלב הבא עלינו להבין כיצד סיבים אופטיים מעבירים אור.

שבירה, השתקפות והשתקפות מוחלטת של האור

כאשר אור נפלט מחומר לחומר אחר, שבירה והשתקפות מתרחשים בממשק שבין שני החומרים, וזווית השבירה עולה עם זווית האור המקרית. כפי שמוצג באיור ① → ②. כאשר זווית האירוע מגיעה או עולה על זווית מסוימת, האור המפורר נעלם וכל האור המקרה משתקף לאחור, שהוא ההשתקפות הכוללת של האור, כפי שמוצג ב- ② → ③ באיור הבא.

לחומרים שונים יש מדדי שבירה שונים, כך שמהירות התפשטות האור משתנה במדיה שונה. מדד השבירה מיוצג על ידי n, n = c/v, כאשר C הוא המהירות בוואקום ו- V היא מהירות ההתפשטות במדיום. מדיום עם מדד שבירה גבוה יותר נקרא מדיום צפוף אופטי, ואילו מדיום עם מדד שבירה נמוך יותר נקרא מדיום דליל אופטי. שני התנאים להרהור מוחלט להתרחש הם:
1. שידור ממדיום צפוף אופטי למדיום דליל אופטי
2. זווית האירוע גדולה או שווה לזווית הקריטית של השתקפות מוחלטת
על מנת להימנע מדליפת אות אופטית ולהפחית את אובדן ההעברה, העברה אופטית בסיבים אופטיים מתרחשת בתנאי השתקפות מוחלטים.

חלק 2. מבוא לתקשורת התפשטות אופטית (סיבים אופטיים)

מבנה סיבים אופטי

עם הידע הבסיסי של התפשטות אור השתקפות מוחלטת, קל להבין את מבנה העיצוב של סיבים אופטיים. הסיבים החשופים של סיבים אופטיים מחולקים לשלוש שכבות: השכבה הראשונה היא הליבה, שנמצאת במרכז הסיבים ומורכבת מסיליקון דו חמצני טוהר גבוה, המכונה גם זכוכית. קוטר הליבה הוא בדרך כלל 9-10 מיקרון (מצב יחיד), 50 או 62.5 מיקרון (רב-מצב). לליבת הסיבים יש מדד שבירה גבוה ומשמש להעברת אור. חיפוי שכבה שנייה: ממוקם סביב ליבת הסיבים, המורכבת גם מזכוכית סיליקה (בקוטר של 125 מיקרון בדרך כלל). מדד השבירה של החיפוי נמוך ויוצר מצב השתקפות מוחלט יחד עם ליבת הסיבים. שכבת הציפוי השלישית: השכבה החיצונית ביותר היא ציפוי שרף מחוזק. לחומר שכבת המגן יש חוזק גבוה ויכול לעמוד בהשפעות גדולות, ומגן על הסיבים האופטיים מפני שחיקת אדי מים ושחיקה מכנית.

אובדן שידור אופטי

אובדן העברת סיבים אופטיים הוא גורם חשוב מאוד המשפיע על איכות התקשורת הסיבים האופטיים. הגורמים העיקריים הגורמים להתייחסות לאותות אופטיים כוללים אובדן ספיגה של חומרים, אובדן פיזור במהלך ההעברה והפסדים אחרים הנגרמים על ידי גורמים כמו כיפוף סיבים, דחיסה ואובדן עגינה.

אורך הגל של האור שונה, ואובדן ההעברה בסיבים אופטיים שונה גם הוא. על מנת למזער את האובדן ולהבטיח את אפקט ההעברה, מדענים התחייבו למצוא את האור המתאים ביותר. האור בטווח אורך הגל של 1260nm ~ 1360nm הוא בעל עיוות האות הקטן ביותר הנגרם כתוצאה מפיזור ואובדן הספיגה הנמוך ביותר. בימים הראשונים, טווח אורך הגל הזה אומץ כלהקת התקשורת האופטית. מאוחר יותר, לאחר תקופה ארוכה של חקר ותרגול, מומחים סיכמו בהדרגה טווח אורך גל לאובדן נמוך (1260nm ~ 1625nm), המתאים ביותר להעברה בסיבים אופטיים. אז גלי האור המשמשים בתקשורת סיבים אופטיים הם בדרך כלל ברצועת האינפרא אדום.

סיווג סיבים אופטיים

סיבים אופטיים של מולטי -מוד: משדר מצבים מרובים, אך הפיזור הבין -מודאלי הגדול מגביל את התדר של העברת אותות דיגיטליים, ומגבלה זו הופכת חמורה יותר עם הגדלת מרחק ההעברה. לפיכך, המרחק של העברת סיבים אופטיים של Multimode הוא קצר יחסית, בדרך כלל רק כמה קילומטרים.
סיבי מצב יחיד: בקוטר סיבים קטן מאוד, ניתן להעביר באופן תיאורטי רק מצב אחד, מה שהופך אותו למתאים לתקשורת מרחוק.

חלק 3. עיקרון עבודה של מערכת תקשורת סיבים אופטיים

מערכת תקשורת סיבים אופטית

מוצרי התקשורת המשמשים בדרך כלל, כגון טלפונים ניידים ומחשבים, מעבירים מידע בצורה של אותות חשמליים. בעת ביצוע תקשורת אופטית, השלב הראשון הוא להמיר אותות חשמליים לאותות אופטיים, להעביר אותם דרך כבלי סיבים אופטיים ואז להמיר את האותות האופטיים לאותות חשמליים כדי להשיג את המטרה של העברת מידע. מערכת התקשורת האופטית הבסיסית מורכבת ממשדר אופטי, מקלט אופטי ומעגל סיבים אופטי להעברת אור. על מנת להבטיח את איכות העברת האות למרחקים ארוכים ולשפר את רוחב הפס ההולך, משתמשים בדרך כלל על משחזרות אופטיות ומולבים.

להלן מבוא קצר לעיקרון העבודה של כל רכיב במערכת התקשורת הסיבים האופטית.

משדר אופטי:ממיר אותות חשמליים לאותות אופטיים, המורכבים בעיקר ממוניטי אות ומקורות אור.

מרבב אותות:זוגות מספר אותות מנשא אופטי של אורכי גל שונים לאותו סיב אופטי לצורך העברה, והשגת השפעת יכולת ההולכה הכפלה.

משחזר אופטי:במהלך ההעברה, צורת הגל ועוצמת האות תתרדרדו, ולכן יש צורך להחזיר את צורת הגל לצורת הגל המסודרת של האות המקורי ולהגדיל את עוצמת האור.

איתות demultiplexer:פירק את האות המרובה לאותות האישיים המקוריים שלו.

מקלט אופטי:ממיר את האות האופטי שהתקבל לאות חשמלי, המורכב בעיקר מגלאי פוטו ודמודולור.

חלק 4. יתרונות ויישומים של תקשורת אופטית

יתרונות תקשורת אופטית:

1. מרחק ממסר ארוך, חסכוני וחוסך אנרגיה
בהנחה להעברת 10 ג'יגה -ביט לשנייה (10 מיליארד אותות או 1 אותות בשנייה) של מידע, אם משתמשים בתקשורת חשמלית, יש להעביר את האות ולהתאים אותו כל כמה מאות מטרים. בהשוואה לכך, שימוש בתקשורת אופטית יכול להשיג מרחק ממסר של מעל 100 ק"מ. ככל שהאות המותאמת פחותה, כך העלות נמוכה יותר. מצד שני, חומר הסיבים האופטיים הוא סיליקון דו חמצני, שיש בו עתודות בשפע ועלות נמוכה בהרבה מחוטי נחושת. לפיכך, לתקשורת אופטית השפעה כלכלית וחיסכון באנרגיה.

2. העברת מידע מהיר ואיכות תקשורת גבוהה

לדוגמה, עכשיו כשמדברים עם חברים בחו"ל או משוחחים ברשת, הצליל אינו מפגר כמו קודם. בעידן הטלקומוניקציה, התקשורת הבינלאומית מסתמכת בעיקר על לוויינים מלאכותיים כממסרים להעברה, וכתוצאה מכך נתיבי הילוכים ארוכים יותר והגעה לאיתות איטית יותר. ותקשורת אופטית, בעזרת כבלי צוללת, מקצרת את מרחק ההעברה, מה שהופך את העברת המידע למהירה יותר. לכן שימוש בתקשורת אופטית יכול להשיג תקשורת חלקה יותר עם מעבר לים.

3. יכולת אנטי-התערבות חזקה וסודיות טובה

תקשורת חשמלית עשויה לחוות שגיאות כתוצאה מהפרעות אלקטרומגנטיות, מה שמוביל לירידה באיכות התקשורת. עם זאת, תקשורת אופטית אינה מושפעת מרעש חשמלי, מה שהופך אותו לבטוח ואמין יותר. ובשל עקרון ההשתקפות הכוללת, האות מוגבל לחלוטין לסיב האופטי להעברה, כך שהסודיות טובה.

4. יכולת העברה גדולה
באופן כללי, תקשורת חשמלית יכולה להעביר רק 10 ג'יגה -ביט לשנייה (10 מיליארד או 1 אותות בשנייה) של מידע, ואילו תקשורת אופטית יכולה להעביר 1 את המידע (1 טריליון 0 או 1 אותות) של מידע.

יישום תקשורת אופטית

ישנם יתרונות רבים לתקשורת אופטית, והיא שולבה בכל פינה בחיינו מאז התפתחותה. מכשירים כמו טלפונים ניידים, מחשבים וטלפונים IP המשתמשים באינטרנט מחברים את כולם לאזור שלהם, למדינה כולה ואפילו לרשת התקשורת העולמית. לדוגמה, אותות הנפלטים על ידי מחשבים וטלפונים ניידים מתכנסים בתחנות בסיס מקומיות של מפעילי תקשורת וציוד ספק רשת, ואז מועברים לאזורים שונים בעולם באמצעות כבלים סיבים אופטיים בכבלי צוללת.

מימוש פעילויות יומיומיות כמו שיחות וידאו, קניות מקוונות, משחקי וידאו וצפייה בכולם מסתמכים על התמיכה והסיוע שלה מאחורי הקלעים. הופעתן של רשתות אופטיות הפכה את חיינו לנוחים ונוחים יותר.