Kiến thức cơ bản về sợi quang

Việc phát minh ra sợi quang đã thúc đẩy cuộc cách mạng trong lĩnh vực giao tiếp. Nếu không có sợi quang để cung cấp các kênh tốc độ cao có dung lượng cao, Internet chỉ có thể ở trong giai đoạn lý thuyết. Nếu thế kỷ 20 là kỷ nguyên của điện, thì thế kỷ 21 là thời đại của ánh sáng. Làm thế nào để ánh sáng đạt được giao tiếp? Chúng ta hãy tìm hiểu kiến ​​thức cơ bản về giao tiếp quang học cùng với trình soạn thảo bên dưới.

Phần 1. Kiến thức cơ bản về sự lan truyền ánh sáng

Hiểu sóng ánh sáng
Sóng ánh sáng thực sự là sóng điện từ, và trong không gian trống, bước sóng và tần số của sóng điện từ là tỷ lệ nghịch. Sản phẩm của cả hai bằng tốc độ ánh sáng, nghĩa là:

Sắp xếp các bước sóng hoặc tần số của sóng điện từ để tạo thành một phổ điện từ. Theo các bước sóng hoặc tần số khác nhau, sóng điện từ có thể được chia thành vùng bức xạ, vùng cực tím, vùng ánh sáng nhìn thấy, vùng hồng ngoại, vùng vi sóng, vùng sóng vô tuyến và vùng sóng dài. Các dải được sử dụng để liên lạc chủ yếu là vùng hồng ngoại, vùng vi sóng và vùng sóng vô tuyến. Hình ảnh sau đây sẽ giúp bạn hiểu sự phân chia của các ban nhạc truyền thông và phương tiện truyền bá tương ứng trong vài phút.

Nhân vật chính của bài viết này, Truyền thông sợi quang, sử dụng sóng ánh sáng trong dải hồng ngoại. Khi nói đến thời điểm này, mọi người có thể tự hỏi tại sao nó phải ở trong ban nhạc hồng ngoại? Vấn đề này có liên quan đến việc mất truyền quang của vật liệu sợi quang, cụ thể là thủy tinh silica. Tiếp theo, chúng ta cần hiểu làm thế nào các sợi quang truyền ánh sáng.

Khúc xạ, phản xạ và phản xạ toàn bộ của ánh sáng

Khi ánh sáng được phát ra từ chất này sang chất khác, khúc xạ và phản xạ xảy ra ở giao diện giữa hai chất và góc khúc xạ tăng theo góc của ánh sáng tới. Như trong hình ① →. Khi góc tới đạt hoặc vượt quá một góc nhất định, ánh sáng khúc xạ biến mất và tất cả ánh sáng tới được phản xạ lại, đó là tổng phản xạ của ánh sáng, như thể hiện trong ② → trong hình sau.

Các vật liệu khác nhau có các chỉ số khúc xạ khác nhau, vì vậy tốc độ lan truyền ánh sáng khác nhau trong các phương tiện khác nhau. Chỉ số khúc xạ được biểu thị bằng N, N = C/V, trong đó C là vận tốc trong chân không và V là vận tốc lan truyền trong môi trường. Một môi trường có chỉ số khúc xạ cao hơn được gọi là môi trường dày đặc quang học, trong khi một môi trường có chỉ số khúc xạ thấp hơn được gọi là môi trường thưa thớt về mặt quang học. Hai điều kiện cho sự phản ánh toàn bộ xảy ra là:
1. Truyền từ môi trường dày đặc sang quang đến môi trường thưa thớt
2. Góc tới lớn hơn hoặc bằng góc tới của tổng số phản xạ
Để tránh rò rỉ tín hiệu quang và giảm mất truyền, truyền quang trong các sợi quang xảy ra trong các điều kiện phản xạ toàn bộ.

Phần 2. Giới thiệu về phương tiện truyền quang (sợi quang)

Cấu trúc sợi quang

Với kiến ​​thức cơ bản về sự lan truyền ánh sáng phản xạ toàn bộ, rất dễ hiểu cấu trúc thiết kế của các sợi quang. Sợi trần của sợi quang được chia thành ba lớp: lớp đầu tiên là lõi, nằm ở trung tâm của sợi và bao gồm silicon dioxide độ tinh khiết cao, còn được gọi là thủy tinh. Đường kính lõi thường là 9-10 micron (chế độ đơn), 50 hoặc 62,5 micron (đa chế độ). Lõi sợi có chỉ số khúc xạ cao và được sử dụng để truyền ánh sáng. Lớp lớp thứ hai: nằm xung quanh lõi sợi, cũng bao gồm kính silica (với đường kính chung 125 micron). Chỉ số khúc xạ của lớp phủ thấp, tạo thành một điều kiện phản xạ tổng số cùng với lõi sợi. Lớp lớp thứ ba: Lớp ngoài cùng là lớp phủ nhựa gia cố. Vật liệu lớp bảo vệ có cường độ cao và có thể chịu được các tác động lớn, bảo vệ sợi quang khỏi xói mòn hơi nước và mài mòn cơ học.

Mất truyền qua quang học

Mất truyền qua sợi quang là một yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng giao tiếp sợi quang. Các yếu tố chính gây ra sự suy giảm của các tín hiệu quang học bao gồm mất hấp thụ vật liệu, mất tán xạ trong quá trình truyền và các tổn thất khác do các yếu tố như uốn cong sợi, nén và mất mát.

Bước sóng của ánh sáng là khác nhau, và tổn thất truyền trong các sợi quang cũng khác nhau. Để giảm thiểu tổn thất và đảm bảo hiệu ứng truyền tải, các nhà khoa học đã cam kết tìm ra ánh sáng phù hợp nhất. Ánh sáng trong phạm vi bước sóng 1260nm ~ 1360nm có độ méo tín hiệu nhỏ nhất gây ra bởi sự phân tán và tổn thất hấp thụ thấp nhất. Trong những ngày đầu, phạm vi bước sóng này đã được thông qua làm băng thông truyền thông quang học. Sau đó, sau một thời gian dài thăm dò và thực hành, các chuyên gia đã dần dần tóm tắt một phạm vi bước sóng tổn thất thấp (1260nm ~ 1625nm), phù hợp nhất để truyền trong các sợi quang. Vì vậy, các sóng ánh sáng được sử dụng trong giao tiếp sợi quang thường nằm trong dải hồng ngoại.

Phân loại sợi quang

Sợi quang đa chế độ: Truyền nhiều chế độ, nhưng sự phân tán phương thức lớn giới hạn tần suất truyền tín hiệu kỹ thuật số và giới hạn này trở nên nghiêm trọng hơn khi tăng khoảng cách truyền. Do đó, khoảng cách của truyền sợi quang đa chế độ tương đối ngắn, thường chỉ vài km.
Sợi chế độ đơn: Với đường kính sợi rất nhỏ, về mặt lý thuyết chỉ có thể truyền một chế độ, làm cho nó phù hợp cho giao tiếp từ xa.

Phần 3. Nguyên tắc làm việc của hệ thống truyền thông sợi quang

Hệ thống truyền thông sợi quang

Các sản phẩm truyền thông thường được sử dụng, chẳng hạn như điện thoại di động và máy tính, truyền thông tin dưới dạng tín hiệu điện. Khi tiến hành giao tiếp quang học, bước đầu tiên là chuyển đổi tín hiệu điện thành các tín hiệu quang học, truyền chúng qua cáp quang, sau đó chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện để đạt được mục đích truyền thông tin. Hệ thống truyền thông quang cơ bản bao gồm một máy phát quang học, máy thu quang và mạch sợi quang để truyền ánh sáng. Để đảm bảo chất lượng truyền tín hiệu đường dài và cải thiện băng thông truyền dẫn, các bộ lặp quang và bộ ghép kênh thường được sử dụng.

Dưới đây là giới thiệu ngắn gọn về nguyên tắc làm việc của từng thành phần trong hệ thống truyền thông sợi quang.

Máy phát quang học:Chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang học, chủ yếu bao gồm các bộ điều biến tín hiệu và nguồn ánh sáng.

Bộ ghép kênh tín hiệu:Các cặp vợ chồng nhiều tín hiệu sóng mang quang có các bước sóng khác nhau vào cùng một sợi quang để truyền, đạt được hiệu quả của khả năng truyền nhân đôi.

Bộ lặp quang học:Trong quá trình truyền, dạng sóng và cường độ của tín hiệu sẽ giảm dần, do đó cần phải khôi phục dạng sóng về dạng sóng gọn của tín hiệu ban đầu và tăng cường độ ánh sáng.

Tín hiệu Demultiplexer:Phân tách tín hiệu ghép kênh vào các tín hiệu riêng lẻ ban đầu của nó.

Máy thu quang:Chuyển đổi tín hiệu quang nhận được thành tín hiệu điện, chủ yếu bao gồm bộ phát quang và bộ giải phóng.

Phần 4. Ưu điểm và ứng dụng của giao tiếp quang học

Ưu điểm của giao tiếp quang học:

1. Khoảng cách rơle dài, tiết kiệm năng lượng và tiết kiệm năng lượng
Giả sử việc truyền 10 Gbps (10 tỷ 0 hoặc 1 tín hiệu mỗi giây), nếu sử dụng giao tiếp điện, tín hiệu cần được chuyển tiếp và điều chỉnh cứ sau vài trăm mét. So với điều này, sử dụng giao tiếp quang học có thể đạt được khoảng cách rơle hơn 100 km. Tín hiệu được điều chỉnh càng ít, chi phí càng thấp. Mặt khác, vật liệu của sợi quang là silicon dioxide, có trữ lượng phong phú và chi phí thấp hơn nhiều so với dây đồng. Do đó, giao tiếp quang học có tác dụng tiết kiệm kinh tế và năng lượng.

2. Truyền thông tin nhanh và chất lượng giao tiếp cao

Ví dụ, bây giờ khi nói chuyện với bạn bè ở nước ngoài hoặc trò chuyện trực tuyến, âm thanh không bị tụt hậu như trước. Trong kỷ nguyên viễn thông, giao tiếp quốc tế chủ yếu dựa vào các vệ tinh nhân tạo là rơle để truyền, dẫn đến các đường truyền dài hơn và tín hiệu chậm hơn. Và giao tiếp quang học, với sự trợ giúp của cáp ngầm, rút ​​ngắn khoảng cách truyền, làm cho việc truyền thông tin nhanh hơn. Do đó, sử dụng giao tiếp quang học có thể đạt được giao tiếp mượt mà hơn với nước ngoài.

3. Khả năng chống can thiệp mạnh mẽ và bảo mật tốt

Giao tiếp điện có thể gặp lỗi do nhiễu điện từ, dẫn đến giảm chất lượng giao tiếp. Tuy nhiên, giao tiếp quang học không bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn điện, làm cho nó an toàn hơn và đáng tin cậy hơn. Và do nguyên tắc phản xạ tổng, tín hiệu hoàn toàn bị giới hạn trong sợi quang để truyền, vì vậy tính bảo mật là tốt.

4. Khả năng truyền lớn
Nói chung, giao tiếp điện chỉ có thể truyền thông tin 10Gbps (10 tỷ 0 hoặc 1 mỗi giây), trong khi giao tiếp quang có thể truyền 1Tbps (1 nghìn tỷ 0 hoặc 1 tín hiệu) thông tin.

Áp dụng giao tiếp quang học

Có rất nhiều lợi thế cho giao tiếp quang học, và nó đã được tích hợp vào mọi góc của cuộc sống của chúng ta kể từ khi phát triển. Các thiết bị như điện thoại di động, máy tính và điện thoại IP sử dụng Internet kết nối mọi người với khu vực của họ, toàn bộ quốc gia và thậm chí đến mạng truyền thông toàn cầu. Ví dụ, các tín hiệu phát ra từ máy tính và điện thoại di động tập hợp tại các trạm cơ sở vận hành truyền thông địa phương và thiết bị nhà cung cấp mạng, và sau đó được truyền đến nhiều nơi trên thế giới thông qua cáp quang trong cáp ngầm.

Việc thực hiện các hoạt động hàng ngày như cuộc gọi video, mua sắm trực tuyến, trò chơi video và xem tất cả đều dựa vào sự hỗ trợ và hỗ trợ của nó đằng sau hậu trường. Sự xuất hiện của các mạng quang học đã làm cho cuộc sống của chúng ta thoải mái và thuận tiện hơn.