دانش اساسی فیبر نوری

اختراع فیبر نوری انقلاب را در زمینه ارتباطات سوق داده است. اگر فیبر نوری برای ارائه کانال های پر سرعت با ظرفیت بالا وجود نداشته باشد ، اینترنت فقط می تواند در مرحله نظری بماند. اگر قرن بیستم دوره برق بود ، قرن بیست و یکم دوره نور است. چگونه نور به ارتباطات می رسد؟ بیایید دانش اساسی ارتباطات نوری را با ویرایشگر زیر بیاموزیم.

قسمت 1 دانش اساسی انتشار نور

درک امواج نوری
امواج نور در واقع امواج الکترومغناطیسی هستند و در فضای آزاد ، طول موج و فرکانس امواج الکترومغناطیسی به طور معکوس متناسب است. محصول این دو برابر با سرعت نور است ، یعنی:

طول موج یا فرکانس های امواج الکترومغناطیسی را به منظور تشکیل یک طیف الکترومغناطیسی ترتیب دهید. با توجه به طول موج ها یا فرکانس های مختلف ، امواج الکترومغناطیسی را می توان به منطقه اشعه ، منطقه ماوراء بنفش ، منطقه نور قابل مشاهده ، منطقه مادون قرمز ، منطقه مایکروویو ، منطقه موج رادیو و منطقه موج طولانی تقسیم کرد. گروههای مورد استفاده برای ارتباطات عمدتاً منطقه مادون قرمز ، منطقه مایکروویو و منطقه موج رادیو هستند. تصویر زیر به شما در درک بخش گروههای ارتباطی و رسانه های انتشار مربوطه در عرض چند دقیقه کمک می کند.

شخصیت اصلی این مقاله ، "ارتباط فیبر نوری" از امواج سبک در گروه مادون قرمز استفاده می کند. وقتی صحبت از این نکته می شود ، ممکن است مردم تعجب کنند که چرا باید در گروه مادون قرمز باشد؟ این مسئله مربوط به از بین رفتن نوری مواد فیبر نوری ، یعنی شیشه سیلیس است. در مرحله بعد ، ما باید درک کنیم که چگونه الیاف نوری نور را منتقل می کنند.

انکسار ، بازتاب و بازتاب کل نور

هنگامی که نور از یک ماده به ماده دیگر ساطع می شود ، شکست و بازتاب در رابط بین دو ماده رخ می دهد و زاویه انکسار با زاویه نور حادثه افزایش می یابد. همانطور که در شکل ① → ② نشان داده شده است. هنگامی که زاویه حادثه به زاویه خاصی برسد یا از آن فراتر رود ، نور انکسار از بین می رود و تمام نور حادثه به عقب منعکس می شود ، که بازتاب کل نور است ، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است.

مواد مختلف دارای شاخص های انکسار متفاوتی هستند ، بنابراین سرعت انتشار نور در رسانه های مختلف متفاوت است. ضریب انکسار توسط n ، n = c/v نشان داده شده است ، جایی که c سرعت در خلاء است و v سرعت انتشار در محیط است. یک رسانه با ضریب شکست بالاتر یک محیط نوری متراکم نامیده می شود ، در حالی که یک رسانه با ضریب شکست کمتر به عنوان یک محیط نوری پراکنده نامیده می شود. دو شرط برای بازتاب کل عبارتند از:
1. انتقال از محیط نوری متراکم به محیط نوری پراکنده
2. زاویه حادثه بیشتر از یا مساوی با زاویه بحرانی بازتاب کل است
به منظور جلوگیری از نشت سیگنال نوری و کاهش از بین رفتن انتقال ، انتقال نوری در الیاف نوری در شرایط بازتاب کامل رخ می دهد.

قسمت 2. مقدمه ای بر رسانه انتشار نوری (فیبر نوری)

ساختار فیبر نوری

با دانش اساسی انتشار نور بازتاب کل ، درک ساختار طراحی الیاف نوری آسان است. فیبر لخت فیبر نوری به سه لایه تقسیم می شود: لایه اول هسته است که در مرکز فیبر قرار دارد و از دی اکسید سیلیکون با خلوص بالا تشکیل شده است که به عنوان شیشه نیز شناخته می شود. قطر هسته به طور کلی 9-10 میکرون (تک حالت) ، 50 یا 62.5 میکرون (چند حالت) است. هسته فیبر دارای ضریب شکست بالایی است و برای انتقال نور استفاده می شود. روکش لایه دوم: واقع در اطراف هسته فیبر ، همچنین از شیشه سیلیس (با قطر عموما 125 میکرون) تشکیل شده است. ضریب انکسار روکش کم است و یک وضعیت بازتاب کل به همراه هسته فیبر تشکیل می دهد. لایه سوم پوشش: بیرونی ترین لایه یک پوشش رزین تقویت شده است. ماده لایه محافظ دارای استحکام بالایی است و می تواند در برابر اثرات زیادی مقاومت کند و از فیبر نوری در برابر فرسایش بخار آب و سایش مکانیکی محافظت می کند.

از دست دادن انتقال نوری

از دست دادن انتقال فیبر نوری یک عامل بسیار مهم بر کیفیت ارتباط فیبر نوری است. عوامل اصلی ایجاد میرایی سیگنال های نوری شامل از بین رفتن مواد ، از دست دادن پراکندگی در هنگام انتقال و سایر تلفات ناشی از عواملی مانند خم شدن فیبر ، فشرده سازی و از بین رفتن لنگر است.

طول موج نور متفاوت است و از بین رفتن انتقال در الیاف نوری نیز متفاوت است. به منظور به حداقل رساندن ضرر و اطمینان از تأثیر انتقال ، دانشمندان متعهد شده اند مناسب ترین نور را پیدا کنند. نور در محدوده طول موج 1260 نانومتر ~ 1360 نانومتر کمترین اعوجاج سیگنال ناشی از پراکندگی و کمترین میزان از دست دادن جذب را دارد. در روزهای اولیه ، این محدوده طول موج به عنوان باند ارتباطی نوری پذیرفته شد. بعداً ، پس از مدت طولانی اکتشاف و تمرین ، کارشناسان به تدریج دامنه طول موج از دست دادن کم (1260 نانومتر 1625 نانومتر) را خلاصه کردند ، که برای انتقال در الیاف نوری مناسب ترین است. بنابراین امواج نوری مورد استفاده در ارتباطات فیبر نوری به طور کلی در باند مادون قرمز قرار دارند.

طبقه بندی فیبر نوری

فیبر نوری چند حالته: چندین حالت را منتقل می کند ، اما پراکندگی بزرگ بین معین ، فرکانس انتقال سیگنال های دیجیتال را محدود می کند و این محدودیت با افزایش فاصله انتقال شدیدتر می شود. بنابراین ، فاصله انتقال فیبر نوری چند حالته نسبتاً کوتاه است ، معمولاً فقط چند کیلومتر.
فیبر تک حالت: با قطر فیبر بسیار کوچک ، از لحاظ تئوری فقط یک حالت قابل انتقال است و باعث می شود آن را برای ارتباط از راه دور مناسب کند.

قسمت 3. اصل کار سیستم ارتباط فیبر نوری

سیستم ارتباطی فیبر نوری

محصولات ارتباطی که معمولاً استفاده می شود ، مانند تلفن های همراه و رایانه ، اطلاعات را به صورت سیگنال های الکتریکی منتقل می کنند. هنگام انجام ارتباطات نوری ، اولین قدم تبدیل سیگنال های الکتریکی به سیگنال های نوری ، انتقال آنها از طریق کابل های فیبر نوری و سپس تبدیل سیگنال های نوری به سیگنال های الکتریکی برای دستیابی به هدف انتقال اطلاعات است. سیستم ارتباطی نوری اساسی از یک فرستنده نوری ، گیرنده نوری و یک مدار فیبر نوری برای انتقال نور تشکیل شده است. به منظور اطمینان از کیفیت انتقال سیگنال مسافت طولانی و بهبود پهنای باند انتقال ، به طور کلی از تکرار کننده های نوری و چندگانه استفاده می شود.

در زیر مقدمه مختصری از اصل کار هر مؤلفه در سیستم ارتباط فیبر نوری آورده شده است.

فرستنده نوری:سیگنال های الکتریکی را به سیگنال های نوری تبدیل می کند ، که عمدتا از تعدیل کننده سیگنال و منابع نوری تشکیل شده است.

Multiplexer سیگنال:زوجین چندین سیگنال حامل نوری از طول موج های مختلف را به همان فیبر نوری برای انتقال ، دستیابی به اثر دو برابر شدن ظرفیت انتقال.

تکرار نوری:در حین انتقال ، شکل موج و شدت سیگنال بدتر می شود ، بنابراین لازم است شکل موج را به شکل موج شسته و رفته سیگنال اصلی بازگرداند و شدت نور را افزایش دهد.

سیگنال demultiplexer:سیگنال چند برابر شده را در سیگنال های فردی اصلی خود تجزیه کنید.

گیرنده نوری:سیگنال نوری دریافت شده را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می کند ، که عمدتا از یک فوتودکتور و یک دستگاه تخلیه کننده تشکیل شده است.

قسمت 4. مزایا و کاربردهای ارتباط نوری

مزایای ارتباط نوری:

1. فاصله رله طولانی ، اقتصادی و صرفه جویی در انرژی
با فرض انتقال 10 گیگابیت بر ثانیه (10 میلیارد 0 یا 1 سیگنال در ثانیه) از اطلاعات ، در صورت استفاده از برقراری ارتباط الکتریکی ، سیگنال باید هر چند صد متر منتقل و تنظیم شود. در مقایسه با این ، استفاده از ارتباطات نوری می تواند به مسافت رله بیش از 100 کیلومتر برسد. هرچه بار کمتر سیگنال تنظیم شود ، هزینه آن نیز کمتر است. از طرف دیگر ، مواد فیبر نوری دی اکسید سیلیکون است که دارای ذخایر فراوان و هزینه بسیار کمتری نسبت به سیم مسی است. بنابراین ، ارتباطات نوری اثر اقتصادی و صرفه جویی در انرژی دارد.

2. انتقال سریع اطلاعات و کیفیت ارتباطات بالا

به عنوان مثال ، اکنون هنگام صحبت با دوستان خارج از کشور یا گپ زدن به صورت آنلاین ، صدا به اندازه گذشته عقب نمی ماند. در دوره ارتباطات از راه دور ، ارتباطات بین المللی عمدتاً به ماهواره های مصنوعی به عنوان رله های انتقال متکی است و منجر به مسیرهای انتقال طولانی تر و ورود سیگنال کندتر می شود. و ارتباط نوری ، با کمک کابل های زیر دریایی ، فاصله انتقال را کوتاه می کند و انتقال اطلاعات را سریعتر می کند. بنابراین ، استفاده از ارتباطات نوری می تواند به ارتباطات نرم تر با خارج از کشور برسد.

3. توانایی ضد مداخله قوی و محرمانه بودن خوب

ارتباطات الکتریکی ممکن است به دلیل تداخل الکترومغناطیسی خطا را تجربه کند و منجر به کاهش کیفیت ارتباطات شود. با این حال ، ارتباط نوری تحت تأثیر سر و صدای الکتریکی قرار نمی گیرد و آن را ایمن تر و مطمئن تر می کند. و به دلیل اصل بازتاب کامل ، سیگنال کاملاً محدود به فیبر نوری برای انتقال است ، بنابراین محرمانه بودن خوب است.

4. ظرفیت انتقال بزرگ
به طور کلی ، ارتباطات الکتریکی فقط می تواند 10 گیگابیت بر ثانیه (10 میلیارد 0 یا 1 سیگنال در ثانیه) از اطلاعات را منتقل کند ، در حالی که ارتباط نوری می تواند 1tbps (1 تریلیون 0 یا 1 سیگنال) اطلاعات را منتقل کند.

استفاده از ارتباطات نوری

مزایای بسیاری برای ارتباطات نوری وجود دارد و از زمان توسعه آن در هر گوشه زندگی ما ادغام شده است. دستگاه هایی مانند تلفن های همراه ، رایانه ها و تلفن های IP که از اینترنت استفاده می کنند همه را به منطقه ، کل کشور و حتی به شبکه ارتباطات جهانی متصل می کنند. به عنوان مثال ، سیگنال های منتشر شده توسط رایانه ها و تلفن های همراه در ایستگاه های پایه اپراتور ارتباطات محلی و تجهیزات ارائه دهنده شبکه جمع می شوند و سپس از طریق کابل های فیبر نوری در کابل های زیردریایی به مناطق مختلف جهان منتقل می شوند.

تحقق فعالیت های روزانه مانند تماس های ویدیویی ، خرید آنلاین ، بازی های ویدیویی و تماشای همه به پشتیبانی و کمک های آن در پشت صحنه متکی است. ظهور شبکه های نوری زندگی ما را راحت تر و راحت تر کرده است.