Pengetahuan dasar serat optik

Penemuan serat optik telah mendorong revolusi di bidang komunikasi. Jika tidak ada serat optik untuk menyediakan saluran berkecepatan tinggi berkapasitas tinggi, Internet hanya dapat tetap berada dalam tahap teoretis. Jika abad ke -20 adalah era listrik, maka abad ke -21 adalah era cahaya. Bagaimana cahaya mencapai komunikasi? Mari kita pelajari pengetahuan dasar komunikasi optik bersama dengan editor di bawah ini.

Bagian 1. Pengetahuan dasar propagasi cahaya

Memahami gelombang cahaya
Gelombang cahaya sebenarnya adalah gelombang elektromagnetik, dan dalam ruang bebas, panjang gelombang dan frekuensi gelombang elektromagnetik berbanding terbalik. Produk keduanya sama dengan kecepatan cahaya, yaitu:

Atur panjang gelombang atau frekuensi gelombang elektromagnetik untuk membentuk spektrum elektromagnetik. Menurut berbagai panjang gelombang atau frekuensi, gelombang elektromagnetik dapat dibagi menjadi daerah radiasi, daerah ultraviolet, daerah cahaya yang terlihat, daerah inframerah, daerah gelombang mikro, daerah gelombang radio, dan daerah gelombang panjang. Pita yang digunakan untuk komunikasi terutama adalah wilayah inframerah, daerah gelombang mikro, dan daerah gelombang radio. Gambar berikut akan membantu Anda memahami pembagian band komunikasi dan media propagasi yang sesuai dalam hitungan menit.

Protagonis artikel ini, "Fiber Optic Communication," menggunakan gelombang cahaya di pita inframerah. Ketika sampai pada titik ini, orang mungkin bertanya -tanya mengapa itu harus berada di pita inframerah? Masalah ini terkait dengan kehilangan transmisi optik dari bahan serat optik, yaitu kaca silika. Selanjutnya, kita perlu memahami bagaimana serat optik mentransmisikan cahaya.

Refraksi, refleksi, dan refleksi total cahaya

Ketika cahaya dipancarkan dari satu zat ke zat lain, refraksi dan refleksi terjadi pada antarmuka antara kedua zat, dan sudut refraksi meningkat dengan sudut cahaya insiden. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar ① → ②. Ketika sudut kejadian mencapai atau melebihi sudut tertentu, cahaya yang dibiaskan menghilang dan semua cahaya kejadian dipantulkan ke belakang, yang merupakan refleksi total cahaya, seperti yang ditunjukkan pada ② → ③ pada gambar berikut.

Bahan yang berbeda memiliki indeks bias yang berbeda, sehingga kecepatan perambatan cahaya bervariasi di media yang berbeda. Indeks bias diwakili oleh N, n = C/V, di mana C adalah kecepatan dalam vakum dan V adalah kecepatan propagasi dalam medium. Media dengan indeks bias yang lebih tinggi disebut media padat optik, sedangkan media dengan indeks bias yang lebih rendah disebut media jarang secara optik. Dua kondisi refleksi total terjadi adalah:
1. Transmisi dari media medium padat secara optik ke media yang jarang secara optik
2. Sudut kejadian lebih besar dari atau sama dengan sudut kritis refleksi total
Untuk menghindari kebocoran sinyal optik dan mengurangi kehilangan transmisi, transmisi optik dalam serat optik terjadi di bawah kondisi refleksi total.

Bagian 2. Pengantar media propagasi optik (serat optik)

Struktur serat optik

Dengan pengetahuan dasar tentang perambatan cahaya refleksi total, mudah untuk memahami struktur desain serat optik. Serat telanjang serat optik dibagi menjadi tiga lapisan: lapisan pertama adalah inti, yang terletak di tengah serat dan terdiri dari silikon dioksida dengan kemurnian tinggi, juga dikenal sebagai kaca. Diameter inti umumnya 9-10 mikron (mode tunggal), 50 atau 62,5 mikron (multi-mode). Inti serat memiliki indeks bias tinggi dan digunakan untuk mengirimkan cahaya. Lapisan lapisan kedua: Terletak di sekitar inti serat, juga terdiri dari kaca silika (dengan diameter umumnya 125 mikron). Indeks bias dari kelongsong rendah, membentuk kondisi refleksi total bersama dengan inti serat. Lapisan pelapis ketiga: Lapisan terluar adalah lapisan resin yang diperkuat. Bahan lapisan pelindung memiliki kekuatan tinggi dan dapat menahan dampak besar, melindungi serat optik dari erosi uap air dan abrasi mekanik.

Kehilangan transmisi optik

Kehilangan transmisi serat optik adalah faktor yang sangat penting yang mempengaruhi kualitas komunikasi serat optik. Faktor utama yang menyebabkan pelemahan sinyal optik termasuk kehilangan bahan penyerapan, kehilangan hamburan selama transmisi, dan kerugian lain yang disebabkan oleh faktor -faktor seperti pembengkokan serat, kompresi, dan kehilangan docking.

Panjang gelombang cahaya berbeda, dan kehilangan transmisi dalam serat optik juga berbeda. Untuk meminimalkan kehilangan dan memastikan efek transmisi, para ilmuwan telah berkomitmen untuk menemukan cahaya yang paling cocok. Cahaya dalam kisaran panjang gelombang 1260nm ~ 1360nm memiliki distorsi sinyal terkecil yang disebabkan oleh dispersi dan kehilangan penyerapan terendah. Pada hari -hari awal, rentang panjang gelombang ini diadopsi sebagai pita komunikasi optik. Kemudian, setelah periode eksplorasi dan praktik yang lama, para ahli secara bertahap merangkum kisaran panjang gelombang kehilangan rendah (1260nm ~ 1625nm), yang paling cocok untuk transmisi dalam serat optik. Jadi gelombang cahaya yang digunakan dalam komunikasi serat optik umumnya dalam pita inframerah.

Klasifikasi serat optik

Multimode Optical Fiber: Mengirimkan banyak mode, tetapi dispersi inter modal yang besar membatasi frekuensi transmisi sinyal digital, dan batasan ini menjadi lebih parah dengan meningkatnya jarak transmisi. Oleh karena itu, jarak transmisi serat optik multimode relatif pendek, biasanya hanya beberapa kilometer.
Single Mode Fiber: Dengan diameter serat yang sangat kecil, secara teoritis hanya satu mode yang dapat ditransmisikan, membuatnya cocok untuk komunikasi jarak jauh.

Bagian 3. Prinsip Kerja Sistem Komunikasi Serat Optik

Sistem komunikasi serat optik

Produk komunikasi yang biasa digunakan, seperti ponsel dan komputer, mengirimkan informasi dalam bentuk sinyal listrik. Saat melakukan komunikasi optik, langkah pertama adalah mengubah sinyal listrik menjadi sinyal optik, mengirimkannya melalui kabel serat optik, dan kemudian mengubah sinyal optik menjadi sinyal listrik untuk mencapai tujuan transmisi informasi. Sistem komunikasi optik dasar terdiri dari pemancar optik, penerima optik, dan sirkuit serat optik untuk mentransmisikan cahaya. Untuk memastikan kualitas transmisi sinyal jarak jauh dan meningkatkan bandwidth transmisi, pengulang optik dan multiplexer umumnya digunakan.

Di bawah ini adalah pengantar singkat tentang prinsip kerja masing -masing komponen dalam sistem komunikasi serat optik.

Pemancar optik:Mengubah sinyal listrik menjadi sinyal optik, terutama terdiri dari modulator sinyal dan sumber cahaya.

Sinyal Multiplexer:pasangan beberapa sinyal pembawa optik dari panjang gelombang yang berbeda ke serat optik yang sama untuk transmisi, mencapai efek dari penggandaan kapasitas transmisi.

Repeater Optik:Selama transmisi, bentuk gelombang dan intensitas sinyal akan memburuk, sehingga perlu untuk mengembalikan bentuk gelombang ke bentuk gelombang rapi sinyal asli dan meningkatkan intensitas cahaya.

Demultiplexer sinyal:Menguraikan sinyal multiplex menjadi sinyal individu aslinya.

Penerima Optik:Mengubah sinyal optik yang diterima menjadi sinyal listrik, terutama terdiri dari fotodetektor dan demodulator.

Bagian 4. Keuntungan dan aplikasi komunikasi optik

Keuntungan komunikasi optik:

1. Jarak relai panjang, ekonomis dan hemat energi
Dengan asumsi transmisi 10 Gbps (10 miliar 0 atau 1 sinyal per detik) informasi, jika komunikasi listrik digunakan, sinyal perlu disampaikan dan disesuaikan setiap beberapa ratus meter. Dibandingkan dengan ini, menggunakan komunikasi optik dapat mencapai jarak relai lebih dari 100 kilometer. Semakin sedikit waktu sinyal disesuaikan, semakin rendah biayanya. Di sisi lain, bahan serat optik adalah silikon dioksida, yang memiliki cadangan berlimpah dan biaya yang jauh lebih rendah daripada kawat tembaga. Oleh karena itu, komunikasi optik memiliki efek ekonomi dan hemat energi.

2. Transmisi Informasi Cepat dan Kualitas Komunikasi Tinggi

Misalnya, sekarang ketika berbicara dengan teman di luar negeri atau mengobrol online, suaranya tidak tertinggal seperti sebelumnya. Di era telekomunikasi, komunikasi internasional terutama bergantung pada satelit buatan sebagai relay untuk transmisi, menghasilkan jalur transmisi yang lebih lama dan kedatangan sinyal yang lebih lambat. Dan komunikasi optik, dengan bantuan kabel kapal selam, memperpendek jarak transmisi, membuat transmisi informasi lebih cepat. Oleh karena itu, menggunakan komunikasi optik dapat mencapai komunikasi yang lebih halus dengan di luar negeri.

3. Kemampuan anti-interferensi yang kuat dan kerahasiaan yang baik

Komunikasi listrik dapat mengalami kesalahan karena gangguan elektromagnetik, yang menyebabkan penurunan kualitas komunikasi. Namun, komunikasi optik tidak terpengaruh oleh kebisingan listrik, membuatnya lebih aman dan lebih dapat diandalkan. Dan karena prinsip refleksi total, sinyal sepenuhnya terbatas pada serat optik untuk transmisi, sehingga kerahasiaannya baik.

4. Kapasitas transmisi besar
Secara umum, komunikasi listrik hanya dapat mentransmisikan 10Gbps (10 miliar 0 atau 1 sinyal per detik) informasi, sementara komunikasi optik dapat mengirimkan 1Tbps (1 triliun 0 atau 1 sinyal) dari informasi.

Penerapan komunikasi optik

Ada banyak keuntungan komunikasi optik, dan telah diintegrasikan ke dalam setiap sudut kehidupan kita sejak pengembangannya. Perangkat seperti ponsel, komputer, dan ponsel IP yang menggunakan internet menghubungkan semua orang ke wilayah mereka, seluruh negara, dan bahkan ke jaringan komunikasi global. Misalnya, sinyal yang dipancarkan oleh komputer dan ponsel berkumpul di stasiun pangkalan operator komunikasi lokal dan peralatan penyedia jaringan, dan kemudian ditransmisikan ke berbagai bagian dunia melalui kabel serat optik dalam kabel kapal selam.

Realisasi kegiatan sehari -hari seperti panggilan video, belanja online, video game, dan pesta menonton semua mengandalkan dukungan dan bantuannya di balik layar. Munculnya jaringan optik telah membuat hidup kita lebih nyaman dan nyaman.