Оптическое волокно : Определение , типы и применение - Электрический дневник

Что такое оптическое волокно?

Оптическое волокно - это тонкий гибкий филамент из прозрачного материала, обычно стекла или пластика, который используется для передачи световых сигналов на большие расстояния. Оно является основной технологией в области оптической коммуникации.

Конструкция оптического волокна включает следующие элементы:

Сердцевина (Core): Это центральная часть волокна, через которую проходит световой сигнал. Сердцевина имеет более высокий показатель преломления, чем оболочка, чтобы обеспечить внутреннее отражение света и предотвратить его утечку.

Оболочка (Cladding): Оболочка окружает сердцевину и имеет ниже показатель преломления, чтобы свет мог быть отражен обратно в сердцевину. Оболочка обеспечивает защиту сердцевины от внешних воздействий и помогает поддерживать пропускную способность света внутри волокна.

Покрытие (Coating): Покрытие представляет собой слой защитного материала, который окружает оболочку. Оно обеспечивает дополнительную защиту волокна от механических повреждений и воздействия окружающей среды.

Принцип работы оптического волокна

Оптическое волокно работает на основе принципа полного внутреннего отражения. Когда световой сигнал вводится в сердцевину волокна под определенным углом, он отражается от границы сердцевины и оболочки, продолжая передвигаться по волокну. Благодаря отражению света, сигнал может быть передан на значительные расстояния без затухания.

Оптическое волокно применяется в различных областях, включая:

Оптические сети связи: Оно используется для передачи голоса, данных и видео на большие расстояния со скоростями передачи информации, значительно превышающими возможности традиционных медных проводов.

Медицина: Оптическое волокно используется в эндоскопии, лазерной хирургии и диагностических процедурах для освещ.

Распространение светового луча по оптическому волокну

Когда свету разрешается проходить по оптическому волокну, он проходит только через сердцевину, испытывая непрерывные отражения от оболочки. Эти отражения - не что иное, как тотальные внутренние отражения.

Как мы уже обсуждали в книге "Полное внутреннее отражение", это происходит только тогда, когда свет падает из более плотной среды в более разреженную с углом падения, превышающим критический угол.

При таком угле падения свет распространяется через сердцевину, создавая последовательные отражения, а не преломляясь на оболочке.

Поскольку сердцевина представляет собой цилиндр меньшего диаметра, таким образом, произойдет лишь небольшое отражение светового луча, и, следовательно, это приведет к тому, что угол падения будет определенно больше критического угла.

Режимы распространения в оптическом волокне

В оптическом волокне существуют несколько режимов распространения света, которые определяются конструкцией и характеристиками волокна. Основные режимы распространения в оптическом волокне:

Одномодовое распространение (Single-mode): В одномодовом волокне световой сигнал распространяется только в одном главном моде. Главный мод - это определенный путь, по которому свет движется в сердцевине волокна. Одномодовое волокно имеет малую диаметр сердцевины (обычно около 9 микрон) и позволяет передавать световые сигналы на большие расстояния без значительной дисперсии и затухания.

Многомодовое распространение (Multi-mode): В многомодовом волокне световой сигнал распространяется по нескольким модам, которые могут иметь различные пути и времена распространения. Многомодовое волокно имеет более широкую сердцевину (обычно около 50 или 62,5 микрон) и обеспечивает возможность передачи большего количества света, что делает его более простым и доступным для установки.

Волокно с обратной дисперсией (Dispersion-shifted fiber): Этот тип волокна разработан для снижения дисперсии, которая возникает при передаче света по оптическому волокну. Волокно с обратной дисперсией имеет изменяющийся показатель преломления, который компенсирует дисперсию, улучшая качество передаваемых сигналов.

Каждый режим распространения имеет свои особенности и применяется в различных областях. Одномодовые волокна часто используются в длинных дистанционных сетях передачи данных и телекоммуникационных системах, где требуется высокая пропускная способность и минимальные потери. Многомодовые волокна широко применяются в локальных сетях, внутризданий связи и системах видеонаблюдения, где необходимо передавать сигналы на более короткие расстояния.

Преимущества и недостатки оптического волокна

Преимущества волоконно-оптических коммуникационных систем:

Высокая пропускная способность: Волоконно-оптические системы обладают огромной пропускной способностью, позволяющей передавать большое количество данных на большие расстояния. Они обеспечивают высокую скорость передачи данных и широкий диапазон пропускания.

Большая дальность передачи: Оптические волокна позволяют передавать сигналы на значительные расстояния без значительных потерь качества и сигнала. Это делает их идеальным выбором для длинных линий связи, таких как трансокеанские кабели.

Меньшие потери сигнала: Потери сигнала в оптических волокнах гораздо меньше, чем в медных проводах. Волоконно-оптические системы обладают высокой степенью сигнальной чистоты и позволяют достичь высокой качественной передачи данных на длинных расстояниях.

Иммунитет к электромагнитным помехам: Оптические волокна не подвержены электромагнитным помехам, таким как радиочастотные помехи, электромагнитные поля и перекрестные наводки. Это делает их стабильными и надежными для передачи сигналов в окружениях с высоким уровнем электрических помех.

Некоторые недостатки волоконно-оптических коммуникационных систем:

Высокая стоимость: Волоконно-оптические системы могут быть дорогими в установке и обслуживании. Изготовление и монтаж оптических кабелей требуют специализированного оборудования и навыков.

Уязвимость к повреждениям: Оптические волокна могут быть ломкими и уязвимыми к повреждениям. Механические повреждения, такие как изгибы, разрывы и трещины, могут повлиять на производительность и надежность системы.

Сложность установки и обслуживания: Установка и обслуживание волоконно-оптических систем требуют опытных специ