Was ist das Prinzip der Glasfaser? Wie kann Licht in andere Signalformen umgewandelt werden?

Der Lichtwellenleiter wird als Träger für die Lichtübertragung verwendet. Welches Prinzip wird an beiden Enden des Lichtwellenleiters angewendet, um das Licht in das erforderliche Signal umzuwandeln?

 

Prinzip der optischen Faser

1, Glasfaserübertragungsmaterial:

Die im integrierten Verkabelungssystem verwendete optische Faser ist eine Glas-Multimode-LED mit einer Wellenlänge von 850 nm, einer Übertragungsrate von 100 Mbit/s und einer effektiven Reichweite von etwa 20 km. Kern und Mantel bestehen aus zwei Medien mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften. Das darin befindliche Medium hat einen höheren Lichtbrechungsindex als das es umgebende Medium. Aus der Physik ist bekannt, dass an der Grenzfläche der beiden Medien, wenn das Licht von der Seite mit hohem Brechungsindex auf die Seite mit hohem Brechungsindex geschossen wird, der Einfallswinkel größer als ein kritischer Wert ist. Das Reflexionsphänomen tritt auf und die Energie geht nicht verloren. Zu diesem Zeitpunkt wirkt die Beschichtung um die äußere Schicht wie ein undurchsichtiges Material und verhindert, dass während des Durchdringungsprozesses Licht aus der Oberfläche entweicht. Nur Lichtstrahlen mit einem kleinen anfänglichen Einfallswinkel werden gebrochen und innerhalb kurzer Distanz vom Außenmaterial absorbiert.

Derzeit hergestellte optische Fasern, egal ob aus Glas oder Kunststoff, können das gesamte sichtbare Licht und einen Teil des Infrarotspektrums übertragen. Glasfaserkabel aus Glasfaser haben vielfältige Strukturformen. Es gibt zwei Haupttypen von Kurzstreckenkabeln: Ein einschichtiges Kabel besteht in der Mitte aus Stahldraht oder Nylondraht, das äußere Bündel besteht aus mehreren optischen Fasern und die Außenseite ist mit einer Schicht aus Kunststoffmantel versehen. Das andere ist ein hochdichtes Glasfaserkabel, das aus mehreren übereinanderliegenden Bandschichten besteht, wobei jede Bandschicht parallele Reihen optischer Fasern aufweist.

Glasfaserkabel aus Glasfaser haben vielfältige Strukturformen. Es gibt zwei Haupttypen von Kabeln für kurze Distanzen, einlagiger Aufbau. Das optische Kabel befindet sich in der Mitte des Stahldrahts oder Nylondrahts, das äußere Bündel besteht aus mehreren optischen Fasern und die Außenseite ist mit einer Schicht Kunststoffmantel versehen. Das andere ist ein hochdichtes Glasfaserkabel, das aus mehreren übereinanderliegenden Bandschichten besteht, wobei jede Bandschicht parallele Reihen optischer Fasern aufweist.

2, Glasfaserübertragungsprozess:

Das von der Leuchtdiode LED oder der injizierten Laserdiode ILD emittierte Lichtsignal breitet sich entlang des optischen Mediums aus, und am anderen Ende empfängt die PIN- oder APD-Fotodiode das Signal als Detektor. Die Modulation des optischen Trägers erfolgt durch Amplitudenumtastung, auch Intensitätsmodulation (IntensityModulation) genannt. Typischerweise werden zwei Binärzahlen durch das Erscheinen und Verschwinden von Licht bei einer bestimmten Frequenz dargestellt. Sowohl LED- als auch injizierte Laserdioden-ILD-Signale können auf diese Weise moduliert werden, wobei PIN- und ILD-Detektoren direkt auf die Helligkeitsmodulation reagieren.

Leistungsverstärkung – Der optische Verstärker wird vor dem optischen Sender platziert, um die optische Leistung der eingehenden Faser zu erhöhen. Die optische Leistung des gesamten Leitungssystems wird verbessert. Online-Relaisverstärkung – Wenn die Gebäudegruppe groß ist oder der Abstand zwischen den Gebäuden groß ist, kann sie als Relaisverstärkung zur Verbesserung der optischen Leistung dienen. Vorverstärkung – Nach dem Fotodetektor am Empfangsende wird das Mikrosignal verstärkt, um die Empfangsfähigkeit zu verbessern.

3, Eigenschaften der Glasfaserübertragung:

Da optische Kabel optische Signale übertragen, sind sie nicht einfach zu verzweigen und werden daher im Allgemeinen für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen verwendet. Es wurden experimentelle Mehrpunktsysteme mit Glasfaser-Bustopologien gebaut, die jedoch immer noch zu teuer sind. Da der Glasfaser-Leistungsverlust gering ist, wird der Rückgang im Prinzip reduziert, und es besteht ein großes Bandbreitenpotenzial, sodass die allgemeine Glasfaser die Anzahl der Abgriffe viel mehr unterstützen kann als Twisted-Pair- oder Koaxialkabel. Derzeit ist der kostengünstige und zuverlässige Sender eine Leuchtdioden-LED mit einer Wellenlänge von 0,85 um, die eine Übertragungsrate von 100 Mbit/s und ein LAN im Bereich von 1,5 bis 2 km unterstützen kann. Der Laserdiodensender ist teuer und kann die Anforderung einer Lebensdauer von einer Million Stunden nicht erfüllen.

LED-Detektorstifte, die bei Wellenlängen von {{0}},85 µm arbeiten, sind ebenfalls kostengünstige Empfänger. Die Signalverstärkung der Avalanche-Fotodiode ist größer als die des PIN, benötigt aber eine Stromversorgung von 20 bis 50V, während der PIN-Detektor nur eine 5-V-Stromversorgung benötigt. Für größere Entfernungen und höhere Geschwindigkeiten kann ein System mit einer Wellenlänge von 1,3 µm verwendet werden, das eine geringe Dämpfung aufweist, aber teurer ist als ein System mit einer Wellenlänge von 0,85 µm. Darüber hinaus ist auch der passende Glasfaserstecker sehr wichtig, da die Verbindungsdämpfung jedes Steckers weniger als 25 dB betragen, einfach zu installieren und kostengünstig sein muss. Je größer der Kern und die Apertur der Faser sind, desto mehr Licht erhält sie von der LED und desto besser ist ihre Leistung. Fasern mit einem Kerndurchmesser von 100 µm und einem Manteldurchmesser von 140 µm können eine recht gute Leistung erbringen. Es empfängt 4 dB mehr Lichtenergie als die 62,5/125 µm-Faser und 8,5 dB mehr als die 50/125 µm-Faser. Die Faser mit 0,8 µm hat eine Dämpfung von 6 dB/km, und die Faser mit 1,3 µm hat eine Dämpfung von 4 dB/km. Die 0,8-um-Glasfaser hat eine Bandbreite von 150 MHz/km und die 1,3-um-Glasfaser hat eine Bandbreite von 500 MHz/km.

Im integrierten Verkabelungssystem ist es sehr geeignet und notwendig, Glasfaser als Übertragungsmedium für die Hauptleitung zu verwenden.
Gegenwärtig kann eine Art optische WELLENLÄNGENDIVISION-Multiplexing-Technologie WDM (Wavelength Division MULTI-PLEXING) auf einer Leitung gemultiplext, gesendet und übertragen werden, im Allgemeinen gemäß einer parallelen Byte-8-Bit-Übertragung, wobei für jeden Bitstrom unterschiedliche Wellenlängen verwendet werden. Es muss also unterstützt werden, dass die Schaltung mit einer niedrigen Geschwindigkeit laufen kann. Die Glasfaserverbindung von WDM ist ein neues Datenübertragungssystem, das für Geräteschnittstellen mit Bytebreite geeignet ist.

(l) Laserkommunikation

Heutzutage ist die Verwendung von Licht zur Informationsübertragung weit verbreitet. Beispielsweise nutzen Schiffe für die Kommunikation Lichter, und Ampeln verwenden Rot, Gelb und Grün. Doch all diese Möglichkeiten der Informationsübertragung mittels gewöhnlichem Licht lassen sich nur auf kurze Distanzen beschränken. Wenn Sie Informationen durch Licht direkt an entfernte Orte übertragen möchten, können Sie kein gewöhnliches Licht, sondern nur Laser verwenden.

Wie liefern Sie den Laser? Wir wissen, dass Strom über Kupferdrähte übertragen werden kann, Licht jedoch nicht über gewöhnliche Metalldrähte. Zu diesem Zweck haben Wissenschaftler ein Filament entwickelt, das Licht übertragen kann, eine sogenannte optische Faser, kurz Fiber genannt. Glasfasern bestehen aus speziellen Glasmaterialien, der Durchmesser ist dünner als ein menschliches Haar, normalerweise 50 bis 150 Mikrometer, und sehr weich.

Tatsächlich besteht der innere Kern der Faser aus transparentem optischem Glas mit hohem Brechungsindex, und die äußere Beschichtung besteht aus Glas oder Kunststoff mit niedrigem Brechungsindex. Eine solche Struktur kann einerseits dafür sorgen, dass das Licht entlang des inneren Kerns gebrochen wird, genau wie Wasser, das in der Wasserleitung vorwärts fließt, und dass Elektrizität im Draht vorwärts übertragen wird, selbst wenn tausende Drehungen und Wendungen keine Wirkung zeigen. Andererseits kann die Beschichtung mit niedrigem Brechungsindex verhindern, dass Licht austritt, ebenso wie die Wasserleitung nicht sickert und die Isolierschicht des Drahtes keinen Strom leitet.

Das Erscheinen von Glasfasern klärt die Art und Weise der Lichtübertragung, aber das bedeutet nicht, dass damit jegliches Licht in sehr große Entfernungen übertragen werden kann. Nur ein Laser mit hoher Helligkeit, reiner Farbe und guter Richtwirkung ist die ideale Lichtquelle zur Übertragung von Informationen. Der Eingang erfolgt nahezu verlustfrei an einem Ende der Faser und der Ausgang erfolgt am anderen Ende. Daher handelt es sich bei der optischen Kommunikation im Wesentlichen um eine Laserkommunikation, die die Vorteile einer großen Kapazität, hoher Qualität, einer breiten Materialquelle, hoher Vertraulichkeit, Haltbarkeit usw. bietet und von Wissenschaftlern als Revolution auf dem Gebiet der Kommunikation gefeiert wird und eine solche ist einer der brillantesten Errungenschaften der technischen Revolution.

Wo ist die Laserkommunikation fortgeschritten? Der erste Vorteil der Laserkommunikation ist die große Kapazität. Wie groß ist sein Fassungsvermögen? Wenn wir normalerweise telefonieren, reden wir mit unzusammenhängender Stimme, die sich manchmal vermischt. Dieses Kampfphänomen ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass auf einer Telefonleitung nur ein Anruf getätigt werden kann und wenn ein anderes Telefon hereinkommt, die normalen beiden Seiten des Telefons wird gestört. Wenn 10 Personen gleichzeitig über eine Telefonleitung sprechen, entspricht dies 20 Personen gleichzeitig, es findet überhaupt keine Kommunikation statt. Um dieses Problem zu lösen, ist es notwendig, Träger- und andere Methoden zu verwenden, um jedes Telefon in jedem Frequenzband herzustellen. Da der Frequenzbereich gewöhnlicher Telefone zwischen 300 und 400 Hertz liegt und die höchste Frequenz auf einem Telefonleitungspaar nur 1500 kHz beträgt, können auf einem Telefonleitungspaar nur ein Dutzend Telefone gleichzeitig übertragen werden. Offensichtlich genügt diese Telekommunikationskapazität bei weitem nicht den Anforderungen der heutigen Informationsgesellschaft.

Wenn wir die Übertragungsinformationen eines gewöhnlichen Telefons mit denen eines Trolleys vergleichen, dann ist die Laserkommunikation ein Auto. Da die Frequenz von Lasern viel höher ist als die von Radiowellen, ist die Informationskapazität der Laserkommunikation 1 Milliarde Mal größer als die der elektrischen Kommunikation. Eine Glasfaser, die dünner als ein menschliches Haar ist, kann Zehntausende Telefongespräche oder Tausende Fernsehprogramme übertragen. Die 20 Glasfaserkabel haben die Dicke eines Bleistifts und können 76.200 Anrufe pro Tag bewältigen. Zum Vergleich: Mit einem Kabel aus 1.800 Kupferadern mit einem Durchmesser von etwa 7,6 Zentimetern können nur 900 Gespräche pro Tag geführt werden.

Besonders überraschend ist, dass sich die Glasfaserkommunikation besonders für die Übertragung von Fernsehen, Bildern und Digital eignet. Es wird berichtet, dass ein Paar Glasfasern die gesamte Encyclopaedia Britannica in einer Minute übertragen kann.

Darüber hinaus wird Quarz als Material für die Herstellung optischer Fasern verwendet, das überall auf der Erde vorkommt. Aus nur wenigen Gramm Quarz lassen sich optische Fasern mit einer Länge von einem Kilometer herstellen. Auf diese Weise sind nicht nur die Rohstoffe unerschöpflich, sondern auch Kupfer und Aluminium können erheblich eingespart werden. Aus diesem Grund konkurrieren die entwickelten Länder der Welt um die Erforschung der Laserkommunikation. So ist die Laserkommunikation zum Liebling der Entwicklung geworden.

In der Geschichte der Kommunikationstechnologie ist die Entwicklung der Glasfaserkommunikationstechnologie beispiellos. Es waren mehrere Meilensteine ​​in der Geschichte der Kommunikationstechnologie: Es dauerte etwa 60 Jahre, bis das Telefon erfunden und angewendet wurde, und die Telefonkommunikation ist auch heute noch weit verbreitet. Auch bei Funktechnologien wie dem Telegrafen vergingen von der Erfindung bis zur Anwendung etwa 30 Jahre. Obwohl sich die Fernsehtechnologie rasant weiterentwickelt hat, steckt sie noch etwa 14 Jahre in der Entwicklung. Laserkommunikation, von der Geburt der ersten verlustarmen Glasfaser bis zur Anwendung, insgesamt nur 5 Jahre. Mittlerweile ist die Laserkommunikation nicht nur weit verbreitet, sondern hat auch einen riesigen Glasfasermarkt geschaffen.

Im Mai 1977 gab es in den Vereinigten Staaten ein großes Unternehmen namens Telegraph and Telephone Company, das die weltweit erste Kurzstrecken-Glasfaserkommunikationsleitung zwischen den beiden Telefonbüros in Chicago verlegte und anschließend eine Kurzstrecken-Laserkommunikationsleitung einrichtete mit einer Gesamtlänge von Hunderten von Kilometern an fast 100 Orten in den Vereinigten Staaten. Dies bedeutet, dass die Laserkommunikation auf kurzen Distanzen begonnen hat, die herkömmliche elektrische Kommunikation zu ersetzen. Bis 1983 wurden 600 Kilometer Glasfaserkommunikation zwischen New York und Boston in Betrieb genommen.

Dicht gefolgt von den Vereinigten Staaten folgt Japan. Im Jahr 1984 stellte Japan die Fernkommunikationsleitung aus Glasfaser von Sapporo in Hokkaido nach Fukuoka in Kyushu fertig, eine Gesamtlänge von 2.800 Kilometern, die mehr als 30 Städte verbindet. Im Dezember 1993 wurde erfolgreich ein Glasfaserkabel über das Ostchinesische Meer zwischen China und Japan verlegt. Außerdem wird ein 10,{7}Kilometer langes Unterseekabel über den Pazifik zwischen Japan und den Vereinigten Staaten geplant.

Aufgrund der starken Entwicklung der Glasfaserkommunikation haben die Vereinigten Staaten, Japan, Großbritannien, Frankreich und andere Industrieländer Unternehmen zur Herstellung von Glasfasern und optischen Kabeln gegründet. Die drei weltweit bekanntesten Glasfaser- und Kabelunternehmen – die United States Western Electric Company, die Corning Company und die japanische Sumitomo Corporation – produzieren mehr als 120 {2} Kilometer pro Jahr.

Kurz gesagt, die industriell entwickelten Länder haben ein nationales Glasfaser-Kommunikationsnetz eingerichtet, um die derzeitigen Kupferdrähte und -kabel vollständig zu ersetzen. Dieses umfangreiche technische Projekt wird voraussichtlich bis zum Jahr 2000 abgeschlossen sein. Zu diesem Zeitpunkt wird die Laserkommunikation Großes bringen Veränderungen auf unserem Planeten. Beispielsweise können Sie Glasfasernetze nutzen, um zu Hause an Dokumenten zu arbeiten oder an einer Besprechung teilzunehmen, ohne das Haus zu verlassen; Oder verbinden Sie das heimische Glasfasernetz mit dem Einkaufszentrum, als ob Sie im Supermarkt zu Hause sitzen würden, um die benötigten Waren einzukaufen, und die Zahlung nur noch über das elektronische Finanzsystem abgewickelt werden muss. Medizinische Zentren auf der ganzen Welt können auch den Zustand und den Laborbericht des Patienten auf dem Bildschirm anzeigen und entsprechend ein Rezept ausstellen, um wirklich zu erreichen, dass „der Gelehrte nicht ausgeht, die Welt kennt“, „im Zelt Strategien entwickelt, entscheidender Sieg Tausende von Meilen entfernt.

Auch Laser und Glasfasern können Bilder übertragen. Zunächst wird eine einzelne optische Faser, deren Durchmesser kleiner als ein menschliches Haar ist, zu einem Faserbündel zusammengefasst. Bei der Übertragung von Informationen werden üblicherweise zwei Arten von Faserbündeln verwendet: eines wird als Lichtstrahl und das andere als Bildstrahl bezeichnet. Die Aufgabe der Strahlübertragung besteht darin, Licht von einem Ende zum anderen zu transportieren. Die Strahlübertragungsstruktur ist relativ einfach. Sie besteht aus einer Reihe miteinander verbundener Monofilamente. Anschließend wird die Endfläche poliert und geschliffen, um den Reflexions- und Streuverlust des Lichts in der Faser zu verringern. Anschließend wird die Kunststoffhülle angebracht auf der Außenseite der Strahlübertragung.

Da eine optische Faser nur einen Punkt übertragen kann, müssen die optischen Führungsfasern sauber nacheinander angeordnet werden, um das gesamte Bild zu übertragen, sodass das optische Faserbündel als Bildstrahl bezeichnet wird.

Im Bildübertragungsbündel sind alle optischen Fasern ordentlich angeordnet, und die Positionen der beiden Enden stimmen nacheinander genau überein, was überhaupt nicht chaotisch ist, genau wie bei einem ordentlichen Essstäbchen. Befindet sich beispielsweise ein Ende einer Lichtleitfaser in der achten Zeile und achten Spalte des Bildübertragungsstrahls, dann befindet sich auch ihr anderes Ende in der achten oder achten Position.

Bei der Übertragung von Bildern zerlegt der Bildstrahl das Bild zunächst in eine Maschenform, d. h. ein Bild wird durch unzählige optische Fasern in unzählige Pixel zerlegt und dann ausgesendet. Eine Glasfaser ist für die Übertragung eines Pixels zuständig und unzählige Glasfasern können das gesamte Bild an das andere Ende übertragen. Wenn Sie die Bildübertragung klarer machen möchten, müssen Sie einen dünneren Durchmesser der Faser wählen, denn je dünner die Faser, desto mehr Licht kann auf einem bestimmten Bildübertragungsstrahl untergebracht werden, sodass mehr Pixel übertragen werden können. Je mehr Pixel, desto klarer ist natürlich das Bild.

Der heute verwendete Bildstrahl besteht aus Zehntausenden von Lichtwellenleitern, und es ist nicht einfach, so viele Lichtwellenleiter ordentlich anzuordnen. Nach der Anordnung werden die beiden Enden mit einem organischen Klebstoff namens Epoxidharz zusammengeklebt, sodass die optische Faser verbunden und fixiert wird und sichergestellt wird, dass die optischen Fasern an beiden Enden eine nach der anderen übereinstimmen. Die beiden Enden sollten ebenfalls geglättet und poliert werden. Der Mittelteil muss nicht fest verklebt werden, sondern ist locker wie die Schnur des Erhu und muss nur außen mit einer schützenden Kunststoffhülle versehen werden, damit das Bildübertragungsbündel weich ist und beliebig gebogen werden kann.

Neben der Übertragung von Bildern kann der Bildstrahl auch allgemeine Symbole oder Zahlen übertragen sowie das Bild vergrößern oder verkleinern.

Um das Bild zu vergrößern, kann der Strahl an einem Ende größer und am anderen Ende kleiner gemacht werden, ähnlich einem Kegel. Wenn das Bildelement vom kleinen Ende zum großen Ende weitergeleitet wird, wird das gesamte Bild vergrößert. Wenn das Bild hingegen vom großen Ende zum kleinen Ende gesendet wird, wird das gesamte Bild verkleinert.

Darüber hinaus kann eine optische Faser zur Bildveränderung eingesetzt werden. Wenn die Anordnung der optischen Faser je nach Bedarf absichtlich gestört wird, kann das Pixel am Austrittsende nicht auf den ursprünglichen entsprechenden Punkt fallen, sondern auf den Punkt der subjektiven Vorstellung, sodass das Bild verändert wird. Wenn die optische Faser am Einlassende des Bildelements quadratisch und die optische Faser am Auslassende kreisförmig gemacht wird, kann das quadratische Bildelement in ein kreisförmiges Bildelement umgewandelt werden.

Kurz gesagt, der faseroptische Bildstrahl verfügt über ein großes Entwicklungspotenzial und wird in der zukünftigen optischen Informationsverarbeitungstechnologie zunehmend seine einzigartige Rolle unter Beweis stellen.