Þekking

Ljósleiðarar bera upplýsingar með því að senda ljósmerki meðfram ofur-þunnum strengjum úr gleri eða plasttrefjum, sem skilar umtalsvert meiri hraða, getu og flutningssviði samanborið við hefðbundna koparleiðslu. Byggð úr þremur lykillögum - innri kjarna, nærliggjandi klæðningu og ytri hlífðarhúð - þjóna þessar kaplar sem burðarás nútíma breiðbandsneta, fjarskiptainnviða og iðnaðarsamskiptakerfa. Skilningurhvernig ljósleiðarar virkagetur mjög hjálpað til við að leysa krefjandi vandamál.

Hvað er ljósleiðari

Ljósleiðarier samskiptaleiðari sem notar ljós sem upplýsingabera og gler eða plast sem flutningsmiðil. Grunnferlið virkar sem hér segir: rafboðum er breytt í ljóspúls, sent á miklum hraða í gegnum mjög þunna glerþræði og síðan breytt aftur í rafmagnsmerki við móttökuenda. Venjulegur fjarskiptaþráður hefur um það bil 125 míkrómetra þvermál - nokkurn veginn það sama og mannshár. Þrátt fyrir þennan ótrúlega þunna-þverskurð er innréttingin með nákvæmri fjöl-laga sammiðja uppbyggingu, þar sem hvert lag þjónar sjálfstæðu hlutverki.

Mikilvægt er að greina á milli ljósleiðara og ljósleiðara. Aljósleiðaraer fullkomið kapalsamsetning sem hýsir einn eða fleiri ljósleiðara ásamt styrktarhlutum og hlífðarjakka, hönnuð til að senda gögn sem ljóspúls yfir langar vegalengdir.

Fjögurra-laga eðlisfræðileg uppbygging ljósleiðarans

Að skiljaúr hverju ljósleiðari er gerður, skulum skoða nánar fjögur nákvæm-hönnuð lög innan frá og út.

Kjarni

Staðsett í miðju, hefur kjarninn þvermál á bilinu 8 til 62,5 míkrómetrar og þjónar sem raunveruleg rás sem ljósmerki ferðast um. Kjarninn er gerður úr hár-hreinleika kísildíoxíði (SiO₂) dópað með snefilmagni af germaníum (Ge) til að auka brotstuðul hans. Hreinleiki kjarna ákvarðar beint fjarlægð merkjasendingar og tapstig - samskipta-trefjar krefjast glerhreinleika sem er 99,99% eða hærri.

Klæðning

Theljósleiðaraklæðninguumlykur kjarnann með samræmdu þvermáli 125 míkrómetrar. Hann er einnig úr kísildíoxíði, en með annarri lyfjaformúlu sem gefur honum aðeins lægri brotstuðul en kjarninn. Þessi brotstuðullsmunur er líkamleg forsenda sem gerir ljósmerkjasendingu kleift - án hans myndi ljós einfaldlega leka út úr trefjunum.

Húðun (buffer)

Eitt eða tvö lög af UV-hertu akrýlatihúðuneru settar yfir klæðninguna, þannig að heildarþvermál trefja er 250 míkrómetrar. Húðin verndar ber glerið gegn örbeygju, rispum og ágangi raka. Niðurbrot á húðun er ein helsta orsök þess að frammistöðu minnkar í trefjum eftir langtímanotkun.

Jakki

Ysta hlífðarbyggingin er venjulega gerð úr pólýetýleni (PE) eða pólývínýlklóríði (PVC), með sumum sérhæfðum forritum sem nota Low Smoke Zero Halogen (LSZH) efni. Jakkinn getur einnig innihaldið aramíðtrefjar (Kevlar), stálvír eða trefjaglerstyrktar plaststangir (FRP) sem styrkleikahluta til að standast tog-, þjöppunar- og beygjuálag við uppsetningu.

Saman eru þessi fjögur lög - há-kísilkjarna, dópuð kísilklæðning, akrýlathúð og fjölliðahúð - nauðsynlegljósleiðaraefnifinnast í öllum-samskiptasnúrum.

Í raunverulegri dreifingu eru tugir til þúsunda ljósleiðara settir saman í ljósleiðara. Ljósleiðari og ljósleiðari eru tvö mismunandi hugtök: trefjar eru flutningsmiðillinn; kapall er heildarvaran sem samanstendur af trefjum, styrktarhlutum og hlífðarjakka.

Hvernig virka ljósleiðarar

Alger innri ígrundun

Grundvallarreglan að bakihvernig ljósleiðarar flytja gögner Total Internal Reflection (TIR). Þegar ljós fer frá miðli með hærra brotstuðul í miðil með lægri brotstuðul, og innfallshornið fer yfir markhornið, endurkastast ljósið 100% aftur í hærri-vísishliðina frekar en að fara í gegnum viðmótið. Ljósleiðarar nýta nákvæmlega þessa meginreglu: Brotstuðull kjarnans (u.þ.b. 1,467) er hærri en klæðningarinnar (u.þ.b. 1,460), þannig að ljósmerki endurkastast stöðugt af kjarna-klæðningarskilum við grunn beitarhorn og dreifast meðfram trefjunum.

Lykilbreyta hér er tölulega ljósopið (NA). NA lýsir hámarkshornssviðinu sem trefjarinn getur tekið við innkomnu ljósi, ákvarðað af brotstuðulsmuninum milli kjarna og klæðningar. Stærra NA veitir meiri tengingarþol, sem gerir það auðveldara að samræma ljósgjafa, en eykur einnig dreifingu og rýrir merkjagæði. Þetta er ein af kjarnaviðskiptum-í trefjahönnun.

The Complete Optical Communication Link

Að skiljahvernig ljósleiðari virkarí raunverulegu-heimskerfi þurfum við að skoða þrjú kjarnastigljósleiðarasamskiptihlekkur.

Sendandi:Rafmerki eru fyrst kóðuð í stafræna púlsröð (0s og 1s), síðan breytir ljósgjafi þeim í sjónpúlsa. Það eru tvær tegundir ljósgjafa: leysidíóða (LD) og ljósdíóða- (LED). Laserdíóður bjóða upp á hærra úttaksstyrk, þrengri litrófsbreidd og hraðari mótunarhraða, sem gerir þær hentugar fyrir langa-fjarlægð, háhraða-atburðarás. Ljósdíóða er lægri-kostnaður en hafa breiðari litrófsbreidd, hentugur fyrir stuttar-fjarlægðir.

Trefjar (flutningshluti):Þegar sjónpúlsar koma inn í trefjarnar dreifast þeir meðfram kjarnanum. Í langri-sendingu eru ljósmagnarar settir fyrir með reglulegu millibili til að vega upp á móti merkjadeyfingu. Nútíma þétt bylgjulengdardeild margföldun (DWDM) ljósleiðaratæknigetur samtímis borið 80 til 160 mismunandi bylgjulengdarrásir í einni trefjar, sem hver ber sjálfstætt gögn, sem gerir einni-trefjagetu kleift á terabitum-á-sekúndu stigi.

Móttökutæki:Ljósskynjari (venjulega PIN ljósdíóða eða snjóflóðaljósdíóða, APD) breytir mótteknum sjónpúlsum aftur í rafmerki, sem síðan eru endurheimt í upprunaleg gögn með endurheimt klukku og ákvörðunarrásum.

Merkjadeyfing

Ljósflutningur í gegnum trefjar er ekki taplaust ferli. Merkjadempun er kjarnaþvingunin íljósleiðarasamskiptikerfishönnun.

Dempun kemur frá þremur meginheimildum. Hið fyrra er efnisgleypni - hýdroxýljónir (OH⁻) í glerinu skapa frásogstoppa við ákveðnar bylgjulengdir (um 1383 nm), sem er ástæðan fyrir því að nútíma fjarskiptatrefjar nota fyrst og fremst 1310 nm og 1550 nm lágt-tap gluggana. Annað er Rayleigh-dreifingar-- víxlverkun ljóss og smásjárþéttleikaóreglu í glerinu veldur dreifingartapi, ríkjandi tapkerfi við styttri bylgjulengdir. Þriðja er beygjutap - of lítill trefjabeygjuradíar valda því að ljósmerki leka frá kjarnanum.

Til viðmiðunar, núverandi almenna G.652D einfaldur-hamur trefjar hefur dæmigerða dempun upp á 0,35 dB/km við 1310 nm og 0,20 dB/km við 1550 nm. Þetta þýðir að við 1550 nm lækkar merkjaaflið niður í 1% af upprunalegu stigi eftir 100 km ferðalag. Fyrir vikið þurfa langar-línur sjónræna magnara á 80 til 100 km fresti til endurnýjunar merkja.

Gerðir ljósleiðara:Einföld-stilling vs. fjöl-stilling

Ljósleiðarar eru flokkaðir í tvo meginflokka miðað við fjölda sendingarhama. Þessartegundir ljósleiðaraeru grundvallaratriði í eðlisfræðilegum breytum, frammistöðuforskriftum og hentugum forritum.

Single-Trefjar (SMF)

Einfaldar-ham trefjar hafa kjarnaþvermál 8 til 10 míkrómetra og leyfa aðeins einni grundvallarstillingu (LP01) að fjölga sér. Með því að koma í veg fyrir samþætta dreifingu nær einhliða-trefjar bandbreidd-fjarlægðarvöru sem er langt umfram marg-stillingar trefjar, sem gerir það að staðalvali fyrir miðlungs- og lang-samskipti.

Dæmigert starfrækslubylgjulengdir eru 1310 nm og 1550 nm, með dreifðum endurgjöf leysidíóða (DFB-LD) sem ljósgjafa. Sendingarfjarlægð getur náð tugum til hundruða kílómetra (hægt að stækka í þúsundir kílómetra með ljósmögnurum). Litakóði ytri jakkans er gulur.

Almennar staðlaðar merkingar innihalda ITU-T G.652 (venjulegur einfaldur-hamur), G.655 (ekki-núlldreifing færð) og G.657 (beygja-ónæm, hannað fyrir FTTH dreifingu).

Multi-Trefjar (MMF)

Fjöl-trefjar eru með kjarnaþvermál 50 eða 62,5 míkrómetra, sem gerir hundruðum til þúsundastillingar ljósleiðaraað fjölga sér á sama tíma. Mismunandi stillingar ferðast á mismunandi hraða og koma að viðtakandanum á mismunandi tímum - fyrirbæri sem kallast intermodal dispersion - sem takmarkar beinlínis flutningsfjarlægð og bandbreidd fjöl-stillingar trefja.

Dæmigerðar bylgjulengdir eru 850 nm og 1300 nm, með VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) eða LED sem ljósgjafa. Sendingarvegalengdir eru venjulega innan nokkurra hundruð metra. Fyrir auðkenningu á jakkalitum: OM3/OM4 notar vatn, OM5 notar lime grænt og OM1/OM2 notar appelsínugult.

Valviðmið

Meðal þeirramismunandi gerðir af ljósleiðara, afgerandi þátturinn er sendingarfjarlægð. Fyrir vegalengdir undir 300 metrum - eins og innan-gagna-samtengingar og í-kaðall í byggingu býður - fjöl-trefjar kostnaðarhagræði, þar sem samhæfðar sjóneiningar þess eru umtalsvert ódýrari en sambærilegar-stillingar. Umfram 500 metra - burðarrás háskólasvæðis, stórborgarnet og langlínur-stofnlína - stakur-þráður er eini raunhæfi kosturinn. Innan ákjósanlegra fjarlægðarsviða þeirra er hvorug gerð almennt betri; multi{16}}stillingalausn skilar oft lægri heildareignarkostnaði.

Hvernig eru ljósleiðarar búnir til

Ljósleiðarar eru fyrst og fremst samsettir úr ofur-hreinu kísilgleri (kísildíoxíði), sem er dregið inn í þræðir sem eru þynnri en mannshár til að senda ljósmerki. Dæmigerður ljósleiðari samanstendur af nokkrum lykilþáttum: miðkjarna sem ber ljósmerkin, umhverfisglerklæðningu sem gerir innri endurspeglun kleift, fjölliða hlífðarhúð sem verndar trefjarna fyrir líkamlegum skemmdum og styrkjandi styrkleikahluta, svo sem Kevlar eða stál, sem auka vélræna endingu kapalsins..Ljósleiðaraframleiðslasitur á mótum nákvæmni efnaverkfræði og ljósvísinda. Allt ferlið er skipt í tvö stig: forformssmíði og trefjateikning.

Preform tilbúningur

Forform er há-glerstöng sem er um það bil 10 til 20 sentimetrar í þvermál og um það bil 1 metri að lengd, með brotstuðulssniði kjarna-klæðningar þegar komið á innvortis. Það eru fjórar helstu framleiðsluaðferðir: MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition), OVD (Outside Vapor Deposition), VAD (Vapor Axial Deposition) og PCVD (Plasma Chemical Vapor Deposition).

Tökum OVD ferlið sem dæmi: há-hreinleika kísiltetraklóríð (SiCl₄) og germaníumtetraklóríð (GeCl₄) lofttegundir gangast undir oxunarhvörf í vetnis-súrefnisloga. SiO₂ og GeO₂ agnirnar sem myndast setjast á snúningsmarkstöng, byggja upp lag fyrir lag til að mynda gljúpan glerhluta (kallað „sótform“), sem síðan er þurrkað við háan hita, hertað og hrundið saman í fasta, gagnsæja forform.

Ein forform getur skilað hundruðum kílómetra af trefjum. Gæði forformsins ákvarðar alla ljósfræðilega frammistöðueiginleika ljósleiðarans - þar á meðal deyfingu, dreifingu og afskurðarbylgjulengdar - færibreytur sem eru læstar á forformsstigi og ekki er hægt að leiðrétta þær meðan á teikniferlinu stendur.

Trefjateikning

Forformið er fært inn í dráttarturn, lóðrétta byggingu sem er um það bil 20 til 30 metrar á hæð. Neðri endinn á forforminu er hitaður í um það bil 2.000 gráður til að mýkja glerið, sem síðan er dregið undir þyngdarafl og spennustýringu í trefjar með 125 míkrómetra þvermál. Teikningarhraði getur náð 1.000 til 2.500 metrum á mínútu.

Meðan á teikningarferlinu stendur fer trefjarnar í gegnum innbyggðan leysiþvermálsmæli til að fylgjast með-rauntíma með nákvæmni upp á ±0,1 míkrómetra, fer síðan strax inn í húðunarstigið - tvö lög af akrýlati eru hert undir UV-lömpum, sem færir trefjaþvermálið í 250 míkrómetra. Allt ferlið frá mýkingu til húðunar læknar á innan við einni sekúndu.

Eftir teikningu fer trefjarinn undir sönnunarprófun, venjulega undir 0,69 GPa (u.þ.b. 1% álag) spennu til að útrýma hlutum sem innihalda örsprungur og tryggja að vélrænni áreiðanleiki trefjarins uppfylli 25 ára endingartímakröfu.

Kostir ljósleiðara umfram kopar

Þegar borið er saman trefjar við kopar, erkostir ljósleiðaraverður strax ljóst. Taflan hér að neðan sýnir hvers vegna trefjar hafa orðið ákjósanlegur miðill fyrir nútíma net.

Trefjar og kopar eru fyllingar, ekki samkeppnishæf. Núverandi almenn netkerfisarkitektúr fylgir „fiber-to-the-edge“ meginreglunni - burðarás og söfnunarlög nota trefjar, en aðgangslagið (síðustu tugir metra til endatækja) heldur áfram að nota kopar. Ekki er búist við að þetta byggingarmynstur breytist í grundvallaratriðum á næstu 5 til 10 árum.

Ljósleiðaraforrit

Thenotar fyrir ljósleiðaraspannar næstum allar atvinnugreinar, allt frá fjarskiptum til læknisfræði. Hér eru helstu umsóknarsvæðin.

Fjarskipta- og netgrunnur

Alheimsnetið gengur fyrir trefjum. Ljósleiðarar neðansjávar og jarðbundnir langlínustrengir-tengja saman heimsálfur. 5G-grunnstöðvar og miðlínur reiða sig einnig á ljósleiðara, þar sem hver grunnstöð þarfnast 6 til 12 trefjakjarna. Á þessum mælikvarða ernotkun ljósleiðara í netkerfimyndar sjálfan burðarás alþjóðlegrar tengingar.

Gagnaver

Gagnaver nota OM3/OM4 fjöl-stillingar trefjar fyrir stuttar-háhraða samtengingar innanhúss. Á milli gagnavera er notaður einn-hamur trefjar með samfelldri ljóssamskiptatækni, þar sem hver-bylgjulengdarhraði er nú þegar í gangi upp í 400G og 800G.

FTTH (Fiber to the Home)

FTTH færir ljósleiðara beint til heimilisnotenda, með því að nota PON (Passive Optical Network) tækni til að dreifa ljósmerkjum til margra endanotenda og ná því gígabita-breiðbandsaðgangi með litlum tilkostnaði.

Iðnaður og skynjun

Ljósleiðaraskynjarar eru notaðir til að fylgjast með hitastigi og álagi, víða notaðir í olíu- og gasleiðslur, rafmagnskapla, brunaviðvörunarkerfi í göngum og heilsuvöktun í stórum stíl.

Læknisfræði

Ljósleiðaraforrití læknisfræði heldur áfram að stækka - sjónsjár, skurðaðgerðarleysir og myndgreiningarkerfi treysta öll á ljósleiðara fyrir lýsingu, myndgreiningu og nákvæman skurðaðgerð.

Her og geimfar

Ljósleiðari kemur í stað kopar í fjarskiptum hersins, gagnaflutningabílum og geimferðakerfum og býður upp á EMI friðhelgi og hlerunarviðnám. Ljósleiðarar eru mikið notaðir í flugvéla- og eldflaugastýringarkerfum.