Оптоволокно из чего оно состоит и как работает (4 видео)

Оптоволокно — это передовая технология связи, которая транспортирует информацию с высокой скоростью и надежностью. Оно используется для передачи данных в интернете, телефонной связи, телевидении и многих других областях.

Но из чего состоит это чудо техники? Оптоволокно состоит из тонкой стеклянной или пластиковой нити, которая называется оптическим волокном. Оно обладает уникальными свойствами, позволяющими световым сигналам передаваться на большие расстояния без потери качества.

Основные компоненты оптоволокна — это ядро и оболочка. Ядро — это самое внутреннее слоевое оптоволокна, в котором световой сигнал сосредотачивается. Оболочка окружает ядро и помогает сохранить световой сигнал внутри волокна. Кроме того, волоконные кабели могут быть усилены дополнительной оболочкой и защитным покрытием для дополнительной прочности и долговечности.

Как работает оптоволокно? Когда световой сигнал подается в оптоволокно с помощью источника света, он отражается от стенок ядра и оболочки и продолжает движение по волокну. Поскольку свет распространяется внутри оптоволокна по принципу полного внутреннего отражения, он не выходит за пределы волокна и не теряется по пути.

Содержание

Оптоволокно: структура и принцип работы
Состав
Волокно
Оболочка
Оптические свойства
Преломление
Дисперсия
Поглощение
Процесс передачи данных
Кодирование сигнала
Усиление сигнала
Распространение сигнала
📹 Видео

Видео:Галилео. ОптоволокноСкачать

Оптоволокно: структура и принцип работы

Оптоволокно имеет несколько основных компонентов. В центре структуры находится ядро – это самое тонкое волокно внутри оптоволокна. Вокруг ядра находится оболочка, которая имеет ниже показатель преломления, что позволяет свету оставаться внутри волокна. На поверхности оболочки наносятся оптические покрытия, которые защищают волокно от воздействия внешних факторов.

Принцип работы оптоволокна основан на явлении полного внутреннего отражения. При передаче световых сигналов по волокну, свет, испытывая многократные отражения от границы ядра и оболочки, остается внутри волокна и не теряется. Это позволяет передавать данные на большие расстояния без потери сигнала.

Видео:ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО, ФАКТЫ ПРО ОПТОВОЛОКОННЫЙ КАБЕЛЬ СВЯЗИ, от которых вы обоссытесьСкачать

Состав

Оптоволокно состоит из трёх основных компонентов: сердцевины, оболочки и покрытия.

Сердцевина — это основная часть оптоволокна, внутри которой происходит передача световых сигналов. Она обычно изготавливается из стекла или пластика.

Оболочка — это прозрачный слой, который окружает сердцевину. Её функция заключается в защите сердцевины от внешних воздействий и минимизации потери светового сигнала.

Покрытие — это наружный слой оптоволокна, который защищает его от внешних повреждений и обеспечивает удобство укладки и монтажа. Покрытие часто имеет различные цвета для обозначения разных типов оптоволокна.

Сочетание этих компонентов образует оптоволокно, которое обладает высокой скоростью передачи данных, низкими потерями сигнала и иммунитетом к электромагнитным помехам.

Волокно

Сердцевина является основой волокна и содержит основную часть светового сигнала. Она состоит из чистого стеклянного или пластикового материала. Точность размера и концентричность сердцевины критически важны для обеспечения эффективной передачи света.

Оболочка окружает сердцевину и выполняет роль оптического изолятора. Она сделана из материала с низким показателем преломления, что позволяет световому сигналу оставаться внутри сердцевины и защищает его от потери мощности и внешних воздействий.

Волокно должно быть очень чистым и прозрачным, чтобы свет мог без помех проходить через него на большие расстояния. Для минимизации потерь сигнала и обеспечения аккуратной исходной точки подключения, волокно покрывается тонким слоем силиконового или акрилового материала.

В общем виде оптоволокно выглядит как тонкие и гибкие нити с очень маленьким диаметром. Хотя оно выглядит хрупким, волокно достаточно прочно, чтобы выдержать натяжение и изгибы при укладке и прокладке кабелей.

Оптоволокно имеет высокую пропускную способность, широкий диапазон частот и малую аттенюацию, что делает его идеальным материалом для передачи световых сигналов. Оно применяется в различных областях, включая телекоммуникации, компьютерные сети, медицинское оборудование и многое другое.

Оболочка

Оболочка оптоволоконного кабеля играет важную роль в защите волоконных проводов от внешних воздействий и повреждений. Она состоит из нескольких слоев, каждый из которых выполняет свою функцию.

Внешний слой оболочки, называемый также защитным слоем, обычно изготавливается из полимерного материала, такого как поливинилхлорид (ПВХ) или полиэтилен. Он защищает волоконные провода от механических повреждений, а также от воздействия влаги и химических веществ.

Под защитным слоем располагается слой силовой армировки, который состоит из стальных или арамидных нитей. Он придает кабелю дополнительную прочность и защищает провода от растяжения и сжатия.

Внутренний слой оболочки, также известный как протективный слой, обычно состоит из полимерного материала, который защищает волоконные провода от перекручивания и гнутости.

Между волоконами и оболочками находится слой геля. Гель используется для заполнения пространства между волокнами и оболочками, что предотвращает попадание влаги и воздуха, а также уменьшает влияние механических нагрузок на волокна.

Оболочка оптоволоконного кабеля обеспечивает сохранность волоконных проводов и позволяет им безопасно передавать сигналы на большие расстояния.

Видео:Оптоволоконный кабель.Как это устроено,работает и передам по нему звукСкачать

Оптические свойства

Оптоволокно, используемое для передачи оптического сигнала, обладает рядом особых оптических свойств, которые делают его эффективным и надежным способом передачи информации. Оптоволокно состоит из двух основных частей: ядра и оболочки.

Одно из главных оптических свойств оптоволокна — полное внутреннее отражение. Это явление происходит благодаря разнице показателей преломления между ядром и оболочкой. Таким образом, свет, попавший в оптоволокно под определенным углом, отражается от стенок ядра и полностью проходит по волокну без потерь энергии.

Важным свойством оптоволокна является его пропускная способность — способность передавать широкий диапазон частот оптического излучения. Это позволяет использовать оптоволоконные кабели для передачи различных видов данных, включая голосовые, видео и интернет-сигналы.

Еще одно важное оптическое свойство оптоволокна — его дисперсия. В результате этого явления возникают задержки сигнала, вызванные различной скоростью распространения света в разных частях спектра. Для уменьшения дисперсии и повышения пропускной способности оптоволоконные кабели могут содержать специальные покрытия или быть многомодовыми.

Эти и другие оптические свойства оптоволокна делают его неотъемлемой частью современных коммуникационных систем, обеспечивая быструю, надежную и эффективную передачу информации.

Преломление

Оно происходит благодаря оптическому принципу, известному как преломление света.

Когда свет переходит из одной среды в другую с различными оптическими свойствами,

он меняет свою скорость и направление. В оптоволокне свет передается через ядро,

которое имеет более высокий показатель преломления, и оболочку, которая имеет меньший показатель преломления.

При встрече границы ядра и оболочки свет преломляется, то есть меняет свое направление.

Этот процесс происходит под определенным углом, который зависит от разницы показателей преломления между ядром и оболочкой.

Преломление света в оптоволокне позволяет сигналу передвигаться по оптоволокну,

отражаясь от границы ядра и оболочки в процессе распространения.

Благодаря этому свет может передаваться на большие расстояния без значительной потери сигнала.

Дисперсия

Основные виды дисперсии в оптоволокне – модовая и материальная. Модовая дисперсия возникает из-за различной скорости распространения света в отдельных модах оптоволокна. Материальная дисперсия связана с зависимостью показателя преломления волокна от длины волны: разные частоты света распространяются волокном с разной скоростью.

Для борьбы с дисперсией в оптоволоконных системах применяются различные методы. Один из них – расширение спектра источника света. Это позволяет компенсировать отличие в скоростях распространения света для разных длин волн. Также используются разные типы волокон с минимальными показателями дисперсии, а также специальные устройства для компенсации дисперсии.

Дисперсия является серьезным ограничением для скорости передачи данных по оптоволокну. Она ограничивает количество информации, которое можно передать через волоконный кабель и ухудшает качество сигнала. Для минимизации дисперсии и повышения эффективности оптоволоконных систем проводятся исследования и разрабатываются новые технологии.

Поглощение

В основе поглощения лежит явление, называемое поглощением света материалом. При прохождении света через оптоволокно происходит взаимодействие световых волн с веществом волокна. Часть энергии света поглощается материалом волокна и превращается в тепло.

Поглощение определяется свойствами материала, из которого изготовлено волокно, а также воздействующей на него длины волны света. В разных типах оптоволокон поглощение может отличаться по своей интенсивности. Это может быть важным фактором при выборе оптоволоконного кабеля для конкретного применения.

Поглощение света в оптоволокне является одним из ограничивающих факторов дальности передачи сигнала. Чем больше поглощение, тем короче может быть максимальная длина оптоволокна без усиления сигнала. Поэтому при проектировании оптоволоконной системы нужно учитывать особенности поглощения волокна и подбирать волоконный кабель соответствующего типа.

Одним из способов снижения поглощения является использование специальных покрытий на поверхности оптоволокна. Эти покрытия могут снижать поглощение за счет изменения оптических свойств волокна и уменьшения взаимодействия света с материалом волокна.

Таким образом, поглощение играет важную роль в оптоволоконных системах и может влиять на их производительность и дальность передачи сигнала. Понимание процесса поглощения света помогает разработчикам и инженерам создавать более эффективные системы связи на основе оптоволокна.

Видео:Оптический кросс, для чего он нужен и принцип работыСкачать

Процесс передачи данных

Процесс передачи данных в оптоволоконном кабеле основан на явлении полного внутреннего отражения света внутри волокна. Сигналы, представляющие цифровые данные, передаются в виде модулированного светового потока.

Сначала, данные преобразуются в оптический сигнал с помощью светового источника, такого как лазер или светодиод. Затем, сигнал направляется в оптоволокно, где он проникает в волоконный керн – самую внутреннюю часть волокна.

В керне, световой сигнал поддерживается за счет внутреннего отражения света от границы волокна и оболочки – многослойной оболочки, окружающей керн волокна. Благодаря правильно установленному углу падения, световой сигнал полностью отражается внутри волокна и продолжает свое движение без потери энергии.

Сигнал, двигаясь через оптоволоконный кабель, может быть усилен с помощью регенераторов – устройств, которые восстанавливают и усиливают слабые сигналы. Для передачи данных на большие расстояния могут использоваться специальные преобразователи, которые преобразуют оптический сигнал в электрический и обратно.

По достижении места назначения, оптический сигнал преобразуется обратно в цифровые данные. Затем, эти данные могут быть обработаны или переданы дальше в систему.

Процесс передачи данных в оптоволокне является очень эффективным, так как световой сигнал практически не подвержен помехам и потерям во время передачи.

Использование оптоволоконных кабелей позволяет передавать большие объемы данных на большие расстояния с высокой скоростью и надежностью.

Кодирование сигнала

Одним из самых распространенных методов кодирования сигнала является метод модуляции амплитуды. При этом сигнал представляется в виде серии импульсов, где изменение амплитуды каждого импульса кодирует информацию. Эти импульсы передаются через оптоволоконный кабель в виде световых волн.

Другой метод кодирования сигнала — метод частотной манипуляции, в котором информация кодируется изменением частоты световых волн. При этом разные частоты используются для представления разных символов или битов информации.

Также существуют методы фазовой модуляции и положительной/отрицательной манипуляции, которые также применяются для кодирования сигналов в оптоволоконных системах.

Различные методы кодирования сигнала имеют свои преимущества и недостатки и выбор метода зависит от требуемой пропускной способности, дальности передачи и уровня помехоустойчивости.

Приемник оптоволоконного кабеля осуществляет декодирование сигнала, преобразуя его обратно в исходный вид, позволяя получить переданную информацию.

Усиление сигнала

В оптоволоконных системах связи сигналы передаются в виде световых импульсов, которые могут ослабляться по мере распространения по волокну. Для компенсации потери сигнала используется усиление оптоволокна.

Усиление сигнала осуществляется с помощью оптических усилителей, которые вставляются на определенных участках волокна. Оптический усилитель получает входной слабый сигнал и усиливает его до нужного уровня.

Наиболее распространенными типами оптических усилителей в оптоволоконных системах являются эрбиевые (Er) и оптические усилители с полупроводниковыми кристаллами. Эрбиевые усилители работают в диапазоне длин волн около 1550 нм, который является наиболее распространенным для передачи сигналов в оптоволоконных системах.

Усиление оптоволокна позволяет увеличить дальность передачи сигнала, уменьшить интервалы между повторными усилителями и снизить уровень искажений сигнала волокном. Это позволяет строить более эффективные и мощные оптоволоконные системы связи.

Распространение сигнала

Когда световой импульс входит в оптоволокно, он захватывается ядром волокна и остается в нем благодаря отражениям от его границ. Такой процесс сохранения импульса происходит благодаря особой структуре волокна, где внешний слой оболочки обладает меньшим показателем преломления, чем внутреннее ядро. Это позволяет импульсу оставаться внутри волокна, отражаясь от слоя оболочки.

Распространение светового сигнала по оптоволокну возможно благодаря использованию лазеров или светодиодов, которые генерируют лазерный или световой импульс соответственно. Этот импульс поступает на один конец оптоволокна и начинает распространяться по его длине.

При распространении сигнала по оптоволокну возникают потери силы светового сигнала. Эти потери происходят из-за различных физических причин, таких как дисперсия, абсорбция и рассеяние. Дисперсия вызывает размытие импульса, а абсорбция и рассеяние приводят к потере энергии светового сигнала.

Однако существуют технологии, которые позволяют уменьшить потери сигнала и увеличить его дальность распространения. Например, использование сигналов с множественным возбуждением позволяет увеличить расстояние передачи сигнала. Также применяются специальные покрытия для защиты оптоволокна от внешних воздействий и снижения потерь.

Процесс распространения сигнала по оптоволокну является основой работы современных сетей связи. Оптоволоконные кабели позволяют передавать большие объемы данных на большие расстояния с высокой скоростью и низкими потерями. Благодаря этому оптоволокно широко применяется в различных областях, таких как телекоммуникации, интернет, медицина и промышленность.