Как работят влакната: Какво поддържа светлината във влакната?

Днес високоскоростната оптична свързаност революционизира начина, по който живеем, работим и общуваме. Нарастващото глобално търсене на честотна лента и надеждност на системата стимулира непрекъснатото приемане на хипермащабни технологии, с мащабируеми изцяло оптични мрежи, улесняващи безпроблемен поток от данни в моменти на пиково търсене. Преди да се задълбочим в принципите на оптичните влакна, нека разгледаме накратко предимствата на прехода от традиционна медна инфраструктура към модерна оптична технология. В сравнение със скоростта на предаване на данни на традиционните медни кабели, оптичното окабеляване може да осигури по-висока скорост на предаване. Разбира се, това са всички предимства на оптичните влакна. За разлика от традиционното медно окабеляване, влакното предава данни под формата на светлина, а не на електричество, минимизирайки проблемите с топлината в плътно окабелени тръби и мрежи с висока плътност. В допълнение, едно влакно може да предава сигнала на повече от 100 километра, докато затихването на сигнала в медния кабел се случва на около 100 метра. Няма съмнение, че оптичната технология е гръбнакът на бъдещия високоскоростен, хиперсвързан свят с ниска латентност. За да обясни как работят оптичните влакна и да определи какво запазва светлината във влакнестите оптични влакна, тази статия ще предостави кратък преглед на основните характеристики на оптичните технологии, обединявайки съответните фактори, процеси и научни принципи, които са в основата на допълващите се технологии, които движат бъдещите перспективи на оптичното свързване.

Оптичен кабел: устройство и състав

Оптичният кабел се състои от три ключови компонента. Едното е светлоносещото ядро, последвано от обвивката и накрая защитното външно покритие (известно още като обвивка). Всеки компонент (или цилиндричен слой) на оптичен кабел има специфична цел за ефективното разпространение на данни като оптичен сигнал. Разбирането на термини като пречупване, индекс на пречупване и пълно вътрешно отражение помага да се разбере функцията и употребата на материалите, използвани в оптичните влакна.

Структура на оптичния кабел: Оптичният сигнал на сърцевината преминава през сърцевината. Сърцевината се състои от високо пречистен силициев диоксид (SiO2) и много малки количества "добавки" като германий, които се добавят, за да се регулира индексът на пречупване за оптимално предаване на светлина. Ядра с различни диаметри могат да се използват за различни цели. Например сравнително тесният диаметър на едномодовото влакно (обикновено около 8-10 микрона) ограничава предаването до единичен, фокусиран път, като помага да се поддържа прецизността на сигнала на големи разстояния. Алтернативно, многомодовите влакна, които пренасят различни оптични сигнали на къси разстояния (напр. вътре в сгради или в кампуса), изискват диаметър от 50+ микрона.

Независимо дали е едномодов или многомодов, високият индекс на пречупване на сърцевината спрямо обвивката е фактор за постигане на пълно вътрешно отражение. Облицовка Обвивката обгражда ядрото. Оптични влакна с двойна и тройна облицовка обслужват специализирани приложения с висока мощност, като промишлени лазерни системи, докато кабелите с единична облицовка служат за ежедневни приложения като телекомуникации и мрежи за данни. Основната цел на облицовката е да ограничи светлината до сърцевината. Това се постига чрез осигуряване на по-нисък индекс на пречупване за постигане на пълно вътрешно отражение. Външният слой (или обвивката) не взаимодейства директно със светлината, преминаваща през ядрото.

Вместо това, външният слой осигурява механична здравина и физическа защита срещу факторите на околната среда, които биха могли да намалят индекса на пречупване на материала във влакното. Те включват свързано с времето поемане на вода и екстремни температури, както и издърпване, огъване и усукване по време на монтаж и движение. По този начин здравата обвивка на кабела помага да се осигури ефективно и надеждно предаване на светлина. За да разберем по-добре как светлината остава във влакното, трябва да започнем да свързваме ключовите концепции за пълно вътрешно отражение, критичен ъгъл и индекс на пречупване.

Какво е пречупване? Пречупването описва промяната в посоката на светлината, докато тя преминава през среда с различна плътност. Например, помислете за осветяване с фенерче върху голяма стъклена купа, пълна с вода. Тъй като светлината над водолинията се наблюдава през сравнително по-малко плътен въздух в сравнение със светлината, падаща върху по-плътната вода отдолу, ъгълът на светлинния път изглежда се променя във входната точка. Когато светлината преминава през среда с различна плътност, промяната в посоката на светлината се нарича пречупване (вижте закона на Снел по-долу). Какво е индекс на пречупване? Продължавайки с примера за осветяване на фенерче във вода, можем да зададем въпроси като: „Винаги ли светлината се пречупва под един и същи ъгъл?“ Отговорът е не. Светлината се пречупва под изчислим ъгъл според индекса на пречупване. Познавайки, например, индекса на пречупване на водата и въздуха, оптичните параметри, които определят ъгъла на пречупване, могат да бъдат въведени в уравнение, което показва точния ъгъл на очаквано пречупване при стайна температура (в някои случаи екстремните температури влияят на плътността на средата) трябва да се вземат предвид).

Как индексът на пречупване се отнася към сърцевината и обвивката?

Светлината, движеща се от по-плътна среда към по-малко плътна, ще се отклони от „нормалното“ (тоест въображаема линия, перпендикулярна на интерфейса между двете среди в точката на влизане). Връщайки се към примера с фенерчето, може да помислим за потапяне на фенерчето във вода, така че сега светлината да трябва да премине от по-плътната вода към по-малко плътния въздух, имитирайки това, което се случва, когато светлината преминава през сърцевината и в обвивката. Насочване на лъча Ъгълът на фенерчето над "критичния ъгъл" ще отразява светлината във водата. По същия начин ъгълът на светлината, преминаваща през сърцевината, трябва да надвишава критичния ъгъл и обвивката трябва да осигурява по-нисък индекс на пречупване от сърцевината.

Критичен ъгъл и пълно вътрешно отражение Светлината ще изпита пълно вътрешно отражение, когато се разпространява от по-плътна среда към по-малко плътна среда под ъгъл над критичния ъгъл. Това е мястото, където светлината се отразява в по-плътната първична среда и не навлиза в по-малко плътната вторична среда. Разбирането на принципите на пречупване, индекс на пречупване, критичен ъгъл и пълно вътрешно отражение позволява на инженерите да избират материали за сърцевината и облицовката за оптимална производителност на влакното.