L'invenzione della fibra ottica ha guidato la rivoluzione nel campo della comunicazione. Se non esiste una fibra ottica per fornire canali ad alta velocità ad alta capacità, Internet può rimanere solo nella fase teorica. Se il 20 ° secolo era l'era dell'elettricità, allora il 21 ° secolo è l'era della luce. In che modo la luce raggiunge la comunicazione? Apprendiamo la conoscenza di base della comunicazione ottica insieme all'editor di seguito.
Parte 1. Conoscenza di base della propagazione della luce
Comprensione delle onde luminose
Le onde luminose sono in realtà onde elettromagnetiche e nello spazio libero, la lunghezza d'onda e la frequenza delle onde elettromagnetiche sono inversamente proporzionali. Il prodotto dei due è uguale alla velocità della luce, cioè:
Disporre le lunghezze d'onda o le frequenze delle onde elettromagnetiche per formare uno spettro elettromagnetico. Secondo le diverse lunghezze d'onda o frequenze, le onde elettromagnetiche possono essere divise nella regione di radiazione, nella regione ultravioletta, nella regione della luce visibile, nella regione a infrarossi, nella regione del microonde, nella regione delle onde radio e nella regione delle onde lunghe. Le bande utilizzate per la comunicazione sono principalmente la regione a infrarossi, la regione a microonde e la regione delle onde radio. La seguente immagine ti aiuterà a comprendere la divisione delle bande di comunicazione e i corrispondenti media di propagazione in pochi minuti.
Il protagonista di questo articolo, "Comunicazione in fibra ottica", utilizza onde luminose nella banda a infrarossi. Quando si tratta di questo punto, le persone potrebbero chiedersi perché debba essere nella band a infrarossi? Questo problema è correlato alla perdita di trasmissione ottica di materiali in fibra ottica, vale a dire il vetro di silice. Successivamente, dobbiamo capire come le fibre ottiche trasmettono la luce.
Rifrazione, riflessione e riflesso totale della luce
Quando la luce viene emessa da una sostanza all'altra, la rifrazione e la riflessione si verificano all'interfaccia tra le due sostanze e l'angolo di rifrazione aumenta con l'angolo della luce incidente. Come mostrato in Figura ① → ②. Quando l'angolo incidente raggiunge o supera un determinato angolo, la luce rifratta scompare e tutta la luce incidente viene riflessa, che è il riflesso totale della luce, come mostrato in ② → ③ nella figura seguente.
Materiali diversi hanno indici di rifrazione diversi, quindi la velocità della propagazione della luce varia in mezzi diversi. L'indice di rifrazione è rappresentato da N, N = C/V, dove C è la velocità nel vuoto e V è la velocità di propagazione nel mezzo. Un mezzo con un indice di rifrazione più elevato è chiamato mezzo otticamente denso, mentre un mezzo con un indice di rifrazione inferiore è chiamato mezzo otticamente sparso. Le due condizioni per la riflessione totale si verificano sono:
1. Trasmissione dal mezzo otticamente denso a un mezzo otticamente sparso
2. L'angolo incidente è maggiore o uguale all'angolo critico della riflessione totale
Al fine di evitare la perdita del segnale ottico e ridurre la perdita di trasmissione, la trasmissione ottica nelle fibre ottiche si verifica in condizioni di riflessione totali.
Parte 2. Introduzione ai terreni di propagazione ottica (fibra ottica)
Con la conoscenza di base della propagazione totale della luce di riflessione, è facile comprendere la struttura di progettazione delle fibre ottiche. La fibra nuda della fibra ottica è divisa in tre strati: il primo strato è il nucleo, che si trova al centro della fibra ed è composto da biossido di silicio di alta purezza, noto anche come vetro. Il diametro del nucleo è generalmente 9-10 micron (modalità singola), 50 o 62,5 micron (modalità multipla). Il nucleo in fibra ha un indice di rifrazione elevato e viene utilizzato per trasmettere la luce. Diassuazione del secondo strato: situato attorno al nucleo in fibra, anche composto da vetro di silice (con un diametro di 125 micron). L'indice di rifrazione del rivestimento è basso, formando una condizione di riflessione totale insieme al nucleo della fibra. Il terzo strato di rivestimento: lo strato più esterno è un rivestimento in resina rinforzato. Il materiale di strato protettivo ha un'alta resistenza e può resistere a grandi impatti, proteggendo la fibra ottica dall'erosione del vapore acqueo e nell'abrasione meccanica.
Perdita di trasmissione ottica
La perdita di trasmissione in fibra ottica è un fattore molto importante che influenza la qualità della comunicazione in fibra ottica. I principali fattori che causano l'attenuazione dei segnali ottici comprendono la perdita di assorbimento dei materiali, la perdita di scattering durante la trasmissione e altre perdite causate da fattori come la flessione delle fibre, la compressione e la perdita di attracco.
La lunghezza d'onda della luce è diversa e anche la perdita di trasmissione nelle fibre ottiche è diversa. Al fine di ridurre al minimo la perdita e garantire l'effetto di trasmissione, gli scienziati sono stati impegnati a trovare la luce più adatta. La luce nell'intervallo di lunghezza d'onda di 1260 nm ~ 1360nm ha la più piccola distorsione del segnale causata dalla dispersione e dalla più bassa perdita di assorbimento. All'inizio, questa gamma di lunghezze d'onda è stata adottata come banda di comunicazione ottica. Successivamente, dopo un lungo periodo di esplorazione e pratica, gli esperti hanno gradualmente riassunto un intervallo di lunghezze d'onda a bassa perdita (1260nm ~ 1625nm), che è più adatto alla trasmissione nelle fibre ottiche. Quindi le onde luminose utilizzate nella comunicazione in fibra ottica sono generalmente nella banda a infrarossi.
Classificazione in fibra ottica
Fibra ottica multimodale: trasmette più modalità, ma la grande dispersione inter modale limita la frequenza di trasmissione di segnali digitali e questa limitazione diventa più grave con l'aumentare della distanza di trasmissione. Pertanto, la distanza della trasmissione in fibra ottica multimodale è relativamente breve, di solito solo pochi chilometri.
Fibra in modalità singola: con un diametro della fibra molto piccola, teoricamente solo una modalità può essere trasmessa, rendendolo adatto per la comunicazione remota.
| Articolo di confronto | Fibra multimodale | Fibra a modalità singola |
| Costo in fibra ottica | Costo elevato | basso costo |
| Requisiti dell'attrezzatura di trasmissione | Bassi requisiti delle attrezzature, bassi costi delle attrezzature | Requisiti elevati dell'attrezzatura, requisiti di fonte di luce elevata |
| Attenuazione | alto | Basso |
| Lunghezza d'onda di trasmissione: 850nm-1300nm | 1260nm-1640nm | |
| Comodo da usare | Diametro del nucleo maggiore, facile da gestire | connessione più complessa per l'uso |
| Distanza di trasmissione | rete locale | |
| (meno di 2 km) | rete di accesso | rete media a lunga distanza |
| (Maggiore di 200 km) | ||
| Larghezza di banda | Larghezza di banda limitata | Larghezza di banda quasi illimitata |
| Conclusione | La fibra ottica è più costosa, ma il costo relativo dell'attivazione della rete è inferiore | Prestazioni più elevate, ma un costo più elevato per stabilire una rete |
Parte 3. Principio di lavoro del sistema di comunicazione in fibra ottica
Sistema di comunicazione in fibra ottica
I prodotti di comunicazione comunemente usati, come telefoni cellulari e computer, trasmettono informazioni sotto forma di segnali elettrici. Quando si conducono la comunicazione ottica, il primo passo è convertire i segnali elettrici in segnali ottici, trasmetterli attraverso cavi in fibra ottica e quindi convertire i segnali ottici in segnali elettrici per raggiungere lo scopo della trasmissione delle informazioni. Il sistema di comunicazione ottica di base è costituito da un trasmettitore ottico, un ricevitore ottico e un circuito in fibra ottica per la trasmissione della luce. Al fine di garantire la qualità della trasmissione del segnale a lunga distanza e migliorare la larghezza di banda di trasmissione, vengono generalmente utilizzati ripetitori ottici e multiplexer.
Di seguito è riportata una breve introduzione al principio di lavoro di ciascun componente nel sistema di comunicazione in fibra ottica.
Trasmettitore ottico:Converte i segnali elettrici in segnali ottici, composti principalmente da modulatori del segnale e fonti di luce.
Multiplexer Signal:Accoppia molteplici segnali portanti ottici di diverse lunghezze d'onda nella stessa fibra ottica per la trasmissione, raggiungendo l'effetto del raddoppio della capacità di trasmissione.
Ripetitore ottico:Durante la trasmissione, la forma d'onda e l'intensità del segnale si determinano, quindi è necessario ripristinare la forma d'onda sulla forma d'onda ordinata del segnale originale e aumentare l'intensità della luce.
Signal Demultiplexer:Decomponi il segnale multiplex nei suoi singoli segnali originali.
Ricevitore ottico:Converte il segnale ottico ricevuto in un segnale elettrico, composto principalmente da un fotodittore e un demodulatore.
Parte 4. Vantaggi e applicazioni della comunicazione ottica
Vantaggi della comunicazione ottica:
1. Distanza di relè lungo, economico e risparmio energetico
Supponendo la trasmissione di 10 Gbps (10 miliardi di segnali al secondo) di informazioni, se viene utilizzata la comunicazione elettrica, il segnale deve essere trasmesso e regolato ogni poche centinaia di metri. Rispetto a questo, l'uso della comunicazione ottica può raggiungere una distanza di relè di oltre 100 chilometri. Più volte viene regolato il segnale, più basso è il costo. D'altra parte, il materiale della fibra ottica è il biossido di silicio, che ha riserve abbondanti e costi molto più bassi rispetto al filo di rame. Pertanto, la comunicazione ottica ha un effetto economico e di risparmio energetico.
2. Trasmissione rapida delle informazioni e alta qualità di comunicazione
Ad esempio, ora quando si parla con gli amici all'estero o chiacchierando online, il suono non è così in ritardo come prima. Nell'era della telecomunicazione, la comunicazione internazionale si basa principalmente su satelliti artificiali come relè per la trasmissione, con conseguenti percorsi di trasmissione più lunghi e un arrivo del segnale più lento. E la comunicazione ottica, con l'aiuto dei cavi sottomarini, accorcia la distanza di trasmissione, rendendo più veloce la trasmissione delle informazioni. Pertanto, l'uso della comunicazione ottica può ottenere una comunicazione più fluida con oltremare.
3. Forte capacità anti-interferenza e buona riservatezza
La comunicazione elettrica può sperimentare errori dovuti a interferenze elettromagnetiche, portando a una diminuzione della qualità della comunicazione. Tuttavia, la comunicazione ottica non è influenzata dal rumore elettrico, rendendola più sicura e più affidabile. E a causa del principio della riflessione totale, il segnale è completamente limitato alla fibra ottica per la trasmissione, quindi la riservatezza è buona.
4. grande capacità di trasmissione
In generale, la comunicazione elettrica può trasmettere solo 10 Gbps (10 miliardi di segnali al secondo), mentre la comunicazione ottica può trasmettere 1 Tbps (1 trilione di segnali 0 o 1) di informazioni.
Applicazione della comunicazione ottica
Ci sono molti vantaggi nella comunicazione ottica ed è stato integrato in ogni angolo della nostra vita dal suo sviluppo. Dispositivi come telefoni cellulari, computer e telefoni IP che utilizzano Internet collegano tutti alla loro regione, all'intero paese e persino alla rete di comunicazione globale. Ad esempio, i segnali emessi da computer e telefoni cellulari si radunano nelle stazioni base degli operatori di comunicazione locale e le apparecchiature per i fornitori di rete e vengono quindi trasmessi in varie parti del mondo attraverso cavi in fibra ottica nei cavi sottomarini.
La realizzazione di attività quotidiane come videochiamate, shopping online, videogiochi e abbuffate che visti si affidano al suo supporto e assistenza dietro le quinte. L'emergere di reti ottiche ha reso le nostre vite più comode e convenienti.
Tempo post: MAR-31-2025
