Принципы оптоволоконной связи

Методы цифровой связи, обсуждавшиеся до сих пор, привели к прогрессу в изучении как оптической, так и спутниковой связи. Давайте посмотрим на них.

Волоконная оптика

Оптическое волокно можно понимать как диэлектрический волновод, который работает на оптических частотах. Устройство или трубка, если она изогнута или прекращена для излучения энергии, обычно называется волноводом . Следующее изображение изображает пучок волоконно-оптических кабелей.

Электромагнитная энергия проходит через нее в форме света. Распространение света вдоль волновода можно описать с помощью набора управляемых электромагнитных волн, называемых модами волновода.

Принцип работы

Фундаментальный оптический параметр, о котором нужно иметь представление, при изучении волоконной оптики — показатель преломления . По определению, «отношение скорости света в вакууме к скорости света в веществе является показателем преломления n материала». Оно представляется как —

$n = \ frac {c} {v}$

Куда,

c = скорость света в свободном пространстве = 3 × 10 ⁸ м / с

v = скорость света в диэлектрическом или непроводящем материале

Обычно для бегущего светового луча отражение имеет место, когда n ₂ <n ₁ . Изгиб светового луча на границе раздела является результатом различия в скорости света в двух материалах, которые имеют разные показатели преломления. Соотношение между этими углами на границе раздела можно назвать законом Снелла . Это представлено как —

$n_1sin \ phi _1 = n_2sin \ phi _2$

Куда,

$\ phi _1$ — угол падения

$\ phi _2$ — угол преломления

n ₁ и n ₂ — показатели преломления двух материалов

Для оптически плотного материала, если отражение происходит внутри одного и того же материала, то такое явление называется внутренним отражением . Угол падения и угол преломления показаны на следующем рисунке.

Если угол падения $\ phi _1$ намного больше, то угол преломления $\ phi _2$ в точке становится равным Π / 2. Дальнейшее преломление невозможно после этой точки. Следовательно, такая точка называется Критическим углом $\ phi _c$ . Когда угол падения $\ phi _1$ больше критического угла, условие полного внутреннего отражения выполняется.

На следующем рисунке эти термины четко показаны.

Луч света, если он попадает в стекло при таких условиях, он полностью отражается обратно в стекло, и свет не выходит с поверхности стекла.

Части волокна

Наиболее часто используемое оптическое волокно представляет собой один сплошной диэлектрический цилиндр с радиусом a и показателем преломления n ₁ . На следующем рисунке показаны части оптического волокна.

Этот цилиндр известен как сердцевина волокна. Твердый диэлектрический материал окружает ядро, которое называется оболочкой . Оболочка имеет показатель преломления n _2, который меньше n ₁ .

Оболочка помогает в —

Уменьшение потерь на рассеяние.
Добавляет механическую прочность к волокну.
Защищает ядро от поглощения нежелательных поверхностных загрязнений.

Типы оптических волокон

В зависимости от состава материала сердечника обычно используются два типа волокон. Они —

Волокно со ступенчатым индексом — показатель преломления сердечника является равномерным по всему и претерпевает резкие изменения (или ступеньки) на границе оболочки.
Волокно с градиентным индексом . Показатель преломления сердцевины изменяется в зависимости от радиального расстояния от центра волокна.

Волокно со ступенчатым индексом — показатель преломления сердечника является равномерным по всему и претерпевает резкие изменения (или ступеньки) на границе оболочки.

Волокно с градиентным индексом . Показатель преломления сердцевины изменяется в зависимости от радиального расстояния от центра волокна.

Оба из них далее делятся на —

Одномодовое волокно — они возбуждаются лазером.
Многорежимное волокно — они возбуждаются со светодиодом.

Одномодовое волокно — они возбуждаются лазером.

Многорежимное волокно — они возбуждаются со светодиодом.

Оптическая связь

Система связи волоконной оптики хорошо изучена при изучении ее частей и секций. Основные элементы волоконно-оптической системы связи показаны на следующем рисунке.

Основными компонентами являются передатчик светового сигнала, оптоволокно и приемник фотодетектирования. Дополнительные элементы, такие как волоконные и кабельные соединители и разъемы, регенераторы, светоделители и оптические усилители, используются для повышения производительности системы связи.

Функциональные преимущества

Функциональные преимущества оптических волокон:

Ширина полосы пропускания оптоволоконных кабелей выше, чем у металлических кабелей.
Объем передачи данных выше в оптоволоконных кабелях.
Потери мощности очень малы и, следовательно, полезны при передаче на большие расстояния.
Волоконно-оптические кабели обеспечивают высокую безопасность и не могут быть прослушены.
Волоконно-оптические кабели являются наиболее безопасным способом передачи данных.
Волоконно-оптические кабели невосприимчивы к электромагнитным помехам.
На них не влияет электрический шум.

Ширина полосы пропускания оптоволоконных кабелей выше, чем у металлических кабелей.

Объем передачи данных выше в оптоволоконных кабелях.

Потери мощности очень малы и, следовательно, полезны при передаче на большие расстояния.

Волоконно-оптические кабели обеспечивают высокую безопасность и не могут быть прослушены.

Волоконно-оптические кабели являются наиболее безопасным способом передачи данных.

Волоконно-оптические кабели невосприимчивы к электромагнитным помехам.

На них не влияет электрический шум.

Физические преимущества

Физические преимущества волоконно-оптических кабелей:

Емкость этих кабелей намного выше, чем у медных проводных кабелей.
Хотя емкость выше, размер кабеля не увеличивается, как в кабельной системе с медным проводом.
Пространство, занимаемое этими кабелями, намного меньше.
Вес этих кабелей FOC намного легче, чем у медных.
Так как эти кабели являются диэлектрическими, никаких искр опасности нет.
Эти кабели более устойчивы к коррозии, чем медные, так как они легко изгибаются и являются гибкими.
Сырьем для изготовления волоконно-оптических кабелей является стекло, которое дешевле меди.
Волоконно-оптические кабели служат дольше, чем медные.

Емкость этих кабелей намного выше, чем у медных проводных кабелей.

Хотя емкость выше, размер кабеля не увеличивается, как в кабельной системе с медным проводом.

Пространство, занимаемое этими кабелями, намного меньше.

Вес этих кабелей FOC намного легче, чем у медных.

Так как эти кабели являются диэлектрическими, никаких искр опасности нет.

Эти кабели более устойчивы к коррозии, чем медные, так как они легко изгибаются и являются гибкими.

Сырьем для изготовления волоконно-оптических кабелей является стекло, которое дешевле меди.

Волоконно-оптические кабели служат дольше, чем медные.

Недостатки

Хотя волоконная оптика имеет много преимуществ, она имеет следующие недостатки:

Хотя оптоволоконные кабели служат дольше, стоимость монтажа высока.
Количество повторителей должно быть увеличено с расстоянием.
Они хрупкие, если не заключены в пластиковую оболочку. Следовательно, требуется больше защиты, чем медных.

Хотя оптоволоконные кабели служат дольше, стоимость монтажа высока.

Количество повторителей должно быть увеличено с расстоянием.

Они хрупкие, если не заключены в пластиковую оболочку. Следовательно, требуется больше защиты, чем медных.

Применение волоконной оптики

Оптические волокна имеют много применений. Некоторые из них следующие:

Используется в телефонных системах

Используется в подводных кабельных сетях

Используется в канале передачи данных для компьютерных сетей, систем CATV

Используется в камерах видеонаблюдения

Используется для подключения пожарной, полицейской и других экстренных служб.

Используется в больницах, школах и системах управления движением.

Они имеют много промышленного применения, а также используются в тяжелых конструкциях.