Kiudoptilised kaablid edastavad teavet, saates valgussignaale mööda üliõhukesi klaas- või plastkiudusid, tagades traditsioonilise vaskjuhtmestikuga võrreldes oluliselt suurema kiiruse, võimsuse ja edastusulatuse. Kolmest põhikihist -, sisemisest südamikust, ümbritsevast kattekihist ja välisest kaitsekattest - koosnevad kaablid on kaasaegsete lairibavõrkude, telekommunikatsiooni infrastruktuuri ja tööstuslike sidesüsteemide selgroog. Arusaaminekuidas optilised kiud töötavadvõib oluliselt aidata lahendada mõningaid keerulisi probleeme.
Mis on optiline kiud
Optiline kiudon sidejuht, mis kasutab infokandjana valgust ja edastusvahendina klaasi või plasti. Põhiprotsess toimib järgmiselt: elektrilised signaalid muundatakse valgusimpulssideks, edastatakse suurel kiirusel läbi üliõhukeste klaasikiudude ja muundatakse seejärel vastuvõtvas otsas tagasi elektrilisteks signaalideks. Standardse sidekiu läbimõõt on umbes 125 mikromeetrit -, mis on ligikaudu sama kui juuksekarval. Vaatamata sellele uskumatult õhukesele-ristlõikele on interjööril täpne mitmekihiline kontsentriline struktuur, kus iga kiht täidab iseseisvat funktsiooni.
Oluline on eristada kiudoptilist ja fiiberoptilist kaablit. Afiiberoptiline kaabelon terviklik kaablikomplekt, mis sisaldab ühte või mitut optilist kiudu koos tugevusdetailide ja kaitsekestadega, mis on mõeldud andmete edastamiseks valgusimpulssidena pikkade vahemaade tagant.
Fiiberoptilise kaabli nelja{0}kihiline füüsiline struktuur
Et aru saadamillest on valmistatud fiiberoptiline kaabel, vaatame lähemalt selle nelja täppis{0}}konstrueeritud kihti seestpoolt väljapoole.
Tuum
Keskel asuva südamiku läbimõõt on 8–62,5 mikromeetrit ja see toimib tegeliku kanalina, mille kaudu valgussignaalid liiguvad. Südamik on valmistatud kõrge -puhtusastmega ränidioksiidist (SiO₂), millele on lisatud selle murdumisnäitaja suurendamiseks vähesel määral germaaniumi (Ge). Südamiku puhtus määrab otseselt signaali edastuskauguse ja kadude tasemed. - Side -klassi kiud nõuab 99,99% või kõrgemat klaasi puhtust.
Vooderdus
Thefiiberoptilise kaabli kattekihtümbritseb südamikku ühtlase läbimõõduga 125 mikromeetrit. See on samuti valmistatud ränidioksiidist, kuid erineva dopinguvalemiga, mis annab sellele veidi madalama murdumisnäitaja kui südamikul. See murdumisnäitaja erinevus on füüsiline eeldus, mis võimaldab valgussignaali edastada - ilma selleta, valgus lihtsalt lekiks kiust välja.
Kattekiht (puhver)
Üks või kaks kihti UV{0}}kõvendatud akrülaatikatminekantakse kattekihile, viies kiu koguläbimõõduks 250 mikromeetrit. Kate kaitseb paljast klaasi mikropainutamise, kriimustuste ja niiskuse sissetungimise eest. Katte lagunemine on kiudude jõudluse languse üks peamisi põhjuseid pärast pikaajalist{3}}kasutust.
Jope
Kõige välimine kaitsekonstruktsioon on tavaliselt valmistatud polüetüleenist (PE) või polüvinüülkloriidist (PVC) ning mõnel spetsialiseeritud rakendusel kasutatakse madala suitsuga nullhalogeeni (LSZH) materjale. Mantel võib tugevuselementidena sisaldada ka aramiidkiude (Kevlar), terastraati või klaaskiuga tugevdatud plastist (FRP) vardaid, mis peavad paigaldamise ajal vastu tõmbe-, surve- ja paindepingele.
Need neli kihti - kõrge-puhtusega ränidioksiidi südamik, legeeritud ränidioksiidi kattekiht, akrülaatkate ja polümeerkate - moodustavad koos oluliseoptilised kiudmaterjalidleidub igas side{0}}klassi kaablis.
Tegelike juurutuste korral on kümned kuni tuhanded optilised kiud kokku ühendatud optiliseks kaabliks. Optiline kaabel ja optiline kiud on kaks erinevat mõistet: kiud on edastuskandja; kaabel on terviktoode, mis koosneb kiududest, tugevusdetailidest ja kaitseümbristest.
Kuidas kiudoptilised kaablid töötavad
Täielik sisemine peegeldus
Põhiprintsiip tagakuidas kiudoptilised kaablid andmeid edastavadon täielik sisepeegeldus (TIR). Kui valgus liigub kõrgema murdumisnäitajaga keskkonnast madalama murdumisnäitajaga keskkonnasse ja langemisnurk ületab kriitilise nurga, peegeldub valgus 100% tagasi kõrgema-indeksi poolele, mitte ei läbi liidest. Kiudoptika kasutab täpselt seda põhimõtet: südamiku murdumisnäitaja (ligikaudu 1,467) on kõrgem kui katte oma (ligikaudu 1,460), nii et valgussignaalid põrkuvad pidevalt madalate nurkade all südamiku{6}}katte liidesest, levides piki kiudu.
Peamine parameeter on siin numbriline ava (NA). NA kirjeldab maksimaalset nurgavahemikku, mille ulatuses kiud suudab vastu võtta sissetulevat valgust, mis on määratud murdumisnäitaja erinevusega südamiku ja kattekihi vahel. Suurem NA tagab suurema sidestustolerantsi, muutes valgusallikaga joondamise lihtsamaks, kuid suurendab ka hajumist ja halvendab signaali kvaliteeti. See on üks peamisi kompromisse-kiudude disainis.
Täielik optilise side link
Et aru saadakuidas kiudoptiline kaabel töötabreaalses{0}}maailma süsteemis peame vaatama kolme põhietappikiudoptiline sidelink.
Saatja:Elektrilised signaalid kodeeritakse esmalt digitaalseks impulsside jadaks (0s ja 1s), seejärel muundab valgusallikas need optilisteks impulssideks. Valgusallikaid on kahte tüüpi: laserdioodid (LD) ja valgusdioodid (LED). Laserdioodid pakuvad suuremat väljundvõimsust, kitsamat spektraallaiust ja suuremat modulatsioonikiirust, mistõttu need sobivad pika{5}}vahemaa ja suure kiirusega{6}}stsenaariumide jaoks. LED-id on odavamad-, kuid neil on laiem spektraallaius, mis sobib kasutamiseks lühikese vahemaaga{9}}.
Fiber (ülekandesegment):Kui optilised impulsid sisenevad kiudu, levivad nad piki südamikku. Pika-edastuse korral paigutatakse signaali nõrgenemise kompenseerimiseks korrapäraste ajavahemike järel optilised võimendid. Kaasaegne tihe lainepikkusjaotusega multipleksimine (DWDM) kiudoptiline tehnoloogiasuudab üheaegselt kanda ühes kius 80 kuni 160 erineva lainepikkusega kanalit, millest igaüks kannab iseseisvalt andmeid, võimaldades ühe -kiu läbilaskevõimet terabiti -sekundi kohta-.
Vastuvõtja:Fotodetektor (tavaliselt PIN-fotodiood või laviini fotodiood, APD) teisendab vastuvõetud optilised impulsid tagasi elektrilisteks signaalideks, mis seejärel taastatakse algandmeteks kella taastamise ja otsustusahelate kaudu.
Signaali sumbumine
Valguse edastamine läbi kiudude ei ole kadudeta protsess. Signaali sumbumine on peamine piirangfiiberoptiline sidesüsteemi disain.
Sumbumine pärineb kolmest peamisest allikast. Esimene on materjali neeldumine - jääkhüdroksüülioonid (OH⁻) klaasis loovad neeldumispiigid kindlatel lainepikkustel (umbes 1383 nm), mistõttu tänapäevased sidekiud kasutavad peamiselt 1310 nm ja 1550 nm madalaid{5}}kaoaknaid. Teine on Rayleighi hajumise - interaktsioon valguse ja mikroskoopilise tiheduse ebakorrapärasuse vahel klaasis, mis põhjustab hajumise kadusid, mis on domineeriv kadumehhanism lühematel lainepikkustel. Kolmas on paindekadu -, liiga väikesed kiudude painderaadiused põhjustavad valgussignaalide lekkimist südamikust.
Võrdluseks, praeguse peavoolu ühemoodi{1}}kiu G.652D tüüpiline sumbumine on 0,35 dB/km lainepikkusel 1310 nm ja 0,20 dB/km lainepikkusel 1550 nm. See tähendab, et 1550 nm juures langeb signaali võimsus pärast 100 km läbimist 1%-ni algsest tasemest. Seetõttu vajavad pikamaa{11}}magistraalliinid signaali taastamiseks optilisi võimendeid iga 80–100 km järel.
Kiudoptiliste kaablite tüübid:Üks{0}}režiim vs. mitme-režiim
Optilised kiud liigitatakse edastusrežiimide arvu alusel kahte suurde kategooriasse. Needkiudoptilise kaabli tüübiderinevad põhimõtteliselt füüsiliste parameetrite, jõudlusnõuete ja sobivate rakenduste poolest.
Ühemoodi{0}}kiud (SMF)
Ühemoodi{0}}kiu südamiku läbimõõt on 8–10 mikromeetrit ja see võimaldab levida ainult ühel põhirežiimil (LP01). Likvideerides ühendvedude hajuvuse, saavutab ühemoodi{5}}kiud ribalaius-, mis ületab tunduvalt mitmemoodi-kiudude oma, muutes selle standardvalikuks kesk-- ja pika-side jaoks.
Tüüpilised töölainepikkused on 1310 nm ja 1550 nm, kasutades valgusallikatena hajutatud tagasiside laserdioode (DFB-LD). Edastuskaugus võib ulatuda kümnete kuni sadade kilomeetriteni (pikendatav tuhandete kilomeetriteni optiliste võimenditega). Välisjope värvikood on kollane.
Tavaliste standardnimetuste hulka kuuluvad ITU-T G.652 (standardne ühe-režiim), G.655 (non-null dispersioon nihutatud) ja G.657 (painde-tundetu, mõeldud FTTH juurutamiseks).
Multi{0}}Mode Fiber (MMF)
Mitmemoodi{0}}kiu südamiku läbimõõt on 50 või 62,5 mikromeetrit, mis võimaldab sadu kuni tuhandeidoptilise kiu režiimidlevitada samal ajal. Erinevad režiimid liiguvad erineva kiirusega, jõudes vastuvõtjani erinevatel aegadel - nähtus, mida nimetatakse intermodaalseks hajutamiseks -, mis piirab otseselt mitme-režiimiga kiu edastuskaugust ja ribalaiust.
Tüüpilised töölainepikkused on 850 nm ja 1300 nm, kasutades valgusallikatena VCSEL-e (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) või LED-e. Edastuskaugused jäävad tavaliselt mõnesaja meetri piiresse. Jope värvi tuvastamiseks: OM3/OM4 kasutab aqua, OM5 kasutab laimirohelist ja OM1/OM2 kasutab oranži.
Valikukriteeriumid
Nende hulgaserinevat tüüpi kiudkaablid, on otsustavaks teguriks edastuskaugus. Alla 300 meetri - kauguste puhul, näiteks sise-andme-andmekeskuse vastastikused ühendused ja -hoone kaabeldus - mitmerežiimiline fiiber pakub kulueelist, kuna sellega ühilduvad optilised moodulid on oluliselt odavamad kui üherežiimilised-ekvivalendid. Üle 500 meetri - ülikoolilinnaku magistraalvõrgud, suurlinnade võrgud ja pikamaa{12}}magistraalliinid - ühemoodi{14}}kiud on ainuke lahendus. Nende vastavate optimaalsete vahemaade piires pole kumbki tüüp universaalselt parem; mitme-režiimiga lahendus tagab sageli madalama omamise kogukulu.
Kuidas tehakse fiiberoptilisi kaableid
Kiudoptilised kaablid koosnevad peamiselt üli-puhtast ränidioksiidist (ränidioksiid), mis tõmmatakse optiliste signaalide edastamiseks juuksekarvast õhemateks filamentideks. Tüüpiline fiiberoptiline kaabel koosneb mitmest põhikomponendist: kesksüdamikust, mis kannab valgussignaale, ümbritsevast klaaskattest, mis võimaldab sisemist peegeldust, polümeerist kaitsekattest, mis kaitseb kiudu füüsiliste kahjustuste eest, ja tugevdavatest tugevusdetailidest, nagu kevlar või teras, mis suurendavad kaabli mehaanilist vastupidavust..Optiliste kiudude tootmineistub täppiskeemiatehnika ja optikateaduse ristumiskohas. Kogu protsess on jagatud kaheks etapiks: tooriku valmistamine ja kiudude tõmbamine.
Toorikute valmistamine
Toorik on kõrge -puhtusastmega klaaspulk, mille läbimõõt on umbes 10–20 sentimeetrit ja pikkus umbes 1 meeter, mille südamiku-katte murdumisnäitaja profiil on juba seesmiselt loodud. On neli peamist valmistamismeetodit: MCVD (modifitseeritud keemiline aurustamine-sadestamine), OVD (välisaurustamine), VAD (auruaksiaalne sadestamine) ja PCVD (plasmakeemiline aurustamine-sadestamine).
OVD-protsessi näitel: kõrge -puhtusastmega ränitetrakloriidi (SiCl4) ja germaaniumtetrakloriidi (GeCl4) gaasid läbivad vesinik-hapnikuleegis oksüdatsioonireaktsiooni. Saadud SiO₂ ja GeO2 osakesed ladestuvad pöörlevale sihtvardale, moodustades kiht-kihilt poorse klaaskeha (nn "tahma eelvormiks"), mis seejärel kõrgel temperatuuril veetustatakse, paagutatakse ja laguneb tahkeks läbipaistvaks tooriks.
Üks toorik võib anda sadu kilomeetreid kiudu. Tooriku kvaliteet määrab kõik kiu optilised jõudlusnäitajad -, sealhulgas sumbumise, dispersiooni ja lainepikkuse piiri - parameetrid, mis on eelvormi etapis lukustatud ja mida ei saa joonistusprotsessi ajal parandada.
Kiudude joonistamine
Toorik juhitakse tõmbetorni, mis on ligikaudu 20–30 meetri kõrgune vertikaalne konstruktsioon. Tooriku alumist otsa kuumutatakse umbes 2000 kraadini, et pehmendada klaas, mis seejärel tõmmatakse raskusjõu ja pinge kontrolli all 125 mikromeetrise läbimõõduga kiuks. Joonistuskiirus võib ulatuda 1000–2500 meetrini minutis.
Tõmbamisprotsessi ajal läbib kiud reaalajas ±0,1 mikromeetrise täpsusega-jälgimise jaoks laserisisese läbimõõdumõõturi, seejärel siseneb kohe katmisetappi - kaks kihti akrülaati kõveneb UV-lampide all, viies kiu läbimõõduks 250 mikromeetrit. Kogu protsess pehmendamisest katmiseni kõveneb vähem kui ühe sekundiga.
Pärast tõmbamist läbib kiud tõenduskatse, mille puhul rakendatakse tavaliselt 0,69 GPa (ligikaudu 1% pinget) pinget, et kõrvaldada mikropragusid sisaldavad sektsioonid, tagades, et tarnitud kiu mehaaniline töökindlus vastab 25-aastasele kasutusea nõudele.
Kiudoptilise kaabli eelised vase ees
Kui võrrelda kiudu vasega, siisoptilise kiu eelisedkohe selgeks saama. Allolevas tabelis on välja toodud, miks kiudoptidest on saanud tänapäevaste võrkude eelistatud meedium.
|
Parameeter |
Fiiberoptiline |
Vask |
|
Ribalaius ja kiirus |
Üks DWDM-iga SMF suudab saavutada Tbps{0}}taseme võimsuse |
Vase ekvivalentne maksimaalne võimsus on 25–40 Gbps, kaugus-piiratud 30 m |
|
Edastuskaugus |
SMF suudab ilma repiiteriteta edastada 80–100 km |
Cat 6A vask on efektiivne ainult 100 m kaugusel |
|
EMI takistus |
Kannab valgussignaale; täiesti immuunne elektromagnetiliste häirete suhtes |
Vajab piiratud tõhususega täiendavat varjestust |
|
Turvalisus |
Valgussignaalid ei kiirga väljapoole; füüsiline koputamine on äärmiselt raske |
Elektrilised signaalid tekitavad elektromagnetilist kiirgust, mida saab pealt kuulata |
|
Kaal ja maht |
1/10 kuni 1/20 samaväärse -võimsusega vase massist |
Raskem ja mahukam |
|
Toitevarustus |
Ainult andmed; lõpp-punktid nõuavad sõltumatut võimsust |
Toetab Power over Ethernet (PoE) - andmeid ja toidet samaaegselt |
|
Kulude struktuur |
Fiber ise on odav; optilised moodulid ja splaissimisseadmed maksavad rohkem |
Madalam süsteemi kogumaksumus 100{1}}meetrise lühikese vahemaa korral |
|
Paigaldamine |
Nõuab professionaalseid fusioonliistujaid või eel{0}}lõpetatud pistikuid; vajatakse koolitatud tehnikuid |
RJ45 pistikud väljapressimisega; lihtne paigaldus |
Kiud ja vask täiendavad üksteist, mitte konkureerivad. Praegune peavooluvõrgu arhitektuur järgib põhimõtet "kiud--to-edge" - magistraal- ja koondamiskihid kasutavad kiudoptilist, samas kui juurdepääsukiht (viimased paarkümmend meetrit lõppseadmeteni) jätkab vase kasutamist. Eeldatavasti ei muutu see arhitektuuriline muster järgmise 5–10 aasta jooksul põhjalikult.
Optilise kiu rakendused
Thekasutatakse fiiberoptika jaokshõlmab peaaegu kõiki tööstusharusid telekommunikatsioonist meditsiinini. Siin on peamised rakendusvaldkonnad.
Telekommunikatsiooni ja Interneti selgroog
Ülemaailmne internet töötab kiudoptiliselt. Merealused fiiberoptilised kaablid ja maapealsed pikamaa-magistraalkaablid ühendavad kontinente. 5G-tugijaamade esi- ja keskliinivõrgud põhinevad samuti kiudoptilistel sidevõrkudel, kusjuures iga tugijaam vajab 6–12 kiudtuuma. Sellel skaalal onkiudoptilise kaabli kasutamine võrgusmoodustab globaalse ühenduvuse selgroo.
Andmekeskused
Andmekeskused kasutavad sisemiselt lühi-kiire{4}}ühenduse jaoks OM3/OM4 mitmemoodi{2}}kiudu. Andmekeskuste vahel kasutatakse koherentse optilise sidetehnoloogiaga ühemoodilist kiud-kiudu, mille lainepikkuse kiirused ulatuvad juba 400G ja 800G-ni.
FTTH (Fiber to the Home)
FTTH toob kiudoptilised võrgud otse kodukasutajatele, kasutades PON-tehnoloogiat (Passive Optical Network), et jagada optilisi signaale mitmele lõppkasutajale, saavutades madala hinnaga gigabit{0}}klassi lairibajuurdepääsu.
Tööstuslik ja tundlik
Kiudoptilisi andureid kasutatakse temperatuuri ja deformatsiooni jälgimiseks, neid kasutatakse laialdaselt nafta- ja gaasijuhtmetes, toitekaablites, tunneli tulekahjuhoiatussüsteemides ja laiaulatuslikul -konstruktsiooni seisundi jälgimisel.
Meditsiiniline
Fiiberoptiline rakendusmeditsiinis laieneb jätkuvalt - endoskoobid, kirurgilised laserid ja pildisüsteemid toetuvad valgustamiseks, pildistamiseks ja täppiskirurgiliseks toeks optilistele kiududele.
Sõjavägi ja lennundus
Kiudoptika asendab vaske sõjalises sides, andmesiinides ja kosmosesüsteemides, pakkudes EMI-immuunsust ja pealtkuulamiskindlust. Kiudoptilisi güroskoope kasutatakse laialdaselt õhusõidukite ja rakettide juhtimissüsteemides.
KKK
K: Kui kaua kiudoptilised kaablid kestavad?
V: Side{0}}klassi fiiberoptilised kaablid on standardsetes töötingimustes konstrueeritud minimaalseks kasutuseaks 25 aastat. Tegelik -eluiga sõltub aga keskkonnateguritest, nagu UV-kiirgus, niiskuse sissepääs, näriliste kahjustused ja mehaaniline pinge paigaldamise ajal. Näiteks merealused kaablid on projekteeritud üle 25 aastaks koos üleliigsete kiupaaridega, et võtta arvesse järkjärgulist lagunemist.
K: Kas ilmastiku- või äärmuslikud temperatuurid mõjutavad fiiberoptilisi kaableid?
V: Klaaskiud ise on väga vastupidav temperatuurimuutustele, töötades usaldusväärselt vahemikus –40 kraadi kuni +70 kraadi enamiku kaablite puhul. Erinevalt vasest ei mõjuta kiud äikese-indutseeritud liigpinged ega elektromagnetilised tormid. Äärmuslik jääkoormus võib aga põhjustada õhukaablite liigset paindumist ja korduvad külmumis{5}}sulamistsüklid võivad aastakümnete jooksul mantli terviklikkust halvendada. Geel-täidisega või kuiva{8}}plokiga kaablid on spetsiaalselt loodud selleks, et vältida niiskuse läbitungimist karmides kliimatingimustes.
K: Mis on fiiberoptiliste kaablite minimaalne painderaadius?
V: Standardne ühemoodi{0}}kiud (G.652) nõuab paigaldamise ajal tavaliselt 30 mm painderaadiust. Paindetundlikud kiud (G.657A2/B3), mis on loodud spetsiaalselt tihedaks siseruumides marsruutimiseks ja FTTH-kasutuseks, taluvad nii väikeseid painderaadiusi kui 5–10 mm ja lisakadu on tühine. Minimaalse painderaadiuse ületamine põhjustab valguse väljumise tuumast -, mida nimetatakse makro-paindekadudeks -, mis halvendab signaali kvaliteeti ja võib põhjustada lingi tõrkeid.
K: Kas kiudoptilised kaablid võivad anda kõrval ka elektrienergiat?
V: Standardkiud ei suuda elektrienergiat edastada. Kuid arenev Power over Fiber (PoF) tehnoloogia kasutab laservalguse edastamiseks spetsiaalseid kiudusid, mis muundatakse seejärel fotogalvaaniliste elementide kaudu elektrienergiaks. PoF-i kasutatakse praegu niširakendustes -, näiteks kaugandurite toiteks kõrge-pingekeskkonnas või plahvatusohtlikes tsoonides -, kus vasest elektriliinide juhtimine ei ole ohutu. Väljund on piiratud mõne vatiga, seega ei asenda see tüüpiliste võrguseadmete PoE-d.
K: Mis on multimode fiber (MMF)?
V: Mitmemoodiline kiud (MMF) on optiline kiud, mis on ehitatud ümber laiema südamiku -, mille läbimõõt on tavaliselt 50 või 62,5 µm -, mis võimaldab valgusel liikuda mööda paljusid erinevaid teid üheaegselt. See mitme{5}}tee konstruktsioon võimaldab MMF-il töötada taskukohaste ja väiksema võimsusega Selle tulemusel on see muutunud lahenduseks lühikese katvuse-, suure{10}}läbilaskvusega linkide jaoks, mis leitakse ettevõtte hoonetes, ülikoolilinnaku magistraalvõrkudes ja andmekeskuse ümberlülitamiseks-serverisse{12}}. Kompromiss- seisneb aga füüsikalises nähtuses, mida nimetatakse intermodaalseks hajutamiseks: kuna igal valgusteel on veidi erinev ülekandeaeg, levivad signaaliimpulsid järk-järgult ja kattuvad liikumise ajal, mis piirab kasutatava lingi pikkuse umbes mitusada meetrit -, mis on murdosa sellest, mida ühemoodi{16}}kiud võib sama infrastruktuuriinvesteeringuga saavutada.