المعرفة الأساسية للألياف البصرية

لقد دفع اختراع الألياف البصرية الثورة في مجال الاتصال. إذا لم يكن هناك ألياف ضوئية لتوفير قنوات عالية السرعة عالية السعة ، فيمكن أن يبقى الإنترنت فقط في المرحلة النظرية. إذا كان القرن العشرين هو عصر الكهرباء ، فإن القرن الحادي والعشرين هو عصر الضوء. كيف يحقق الضوء التواصل؟ دعونا نتعلم المعرفة الأساسية للتواصل البصري مع المحرر أدناه.

الجزء 1. المعرفة الأساسية بانتشار الضوء

فهم موجات الضوء
موجات الضوء هي في الواقع موجات كهرومغناطيسية ، وفي الفضاء الحرة ، يكون الطول الموجي وتواتر الموجات الكهرومغناطيسية متناسبة عكسيا. ناتج الاثنين يساوي سرعة الضوء ، أي:

رتب الأطوال الموجية أو ترددات الموجات الكهرومغناطيسية من أجل تشكيل طيف كهرومغناطيسي. وفقًا للأطوال الموجية المختلفة أو الترددات ، يمكن تقسيم الموجات الكهرومغناطيسية إلى منطقة الإشعاع ، ومنطقة الأشعة فوق البنفسجية ، ومنطقة الضوء المرئية ، ومنطقة الأشعة تحت الحمراء ، ومنطقة الميكروويف ، ومنطقة الموجة الراديوية ، ومنطقة الموجة الطويلة. العصابات المستخدمة للاتصال هي أساسا منطقة الأشعة تحت الحمراء ومنطقة الميكروويف ومنطقة الموجة الراديوية. ستساعدك الصورة التالية على فهم تقسيم فرق الاتصال ووسائط الانتشار المقابلة في دقائق.

يستخدم بطل هذه المقالة ، "التواصل البصري الألياف" ، موجات الضوء في نطاق الأشعة تحت الحمراء. عندما يتعلق الأمر بهذه النقطة ، قد يتساءل الناس لماذا يجب أن يكون في الفرقة بالأشعة تحت الحمراء؟ ترتبط هذه المشكلة بفقدان الإرسال البصري لمواد الألياف الضوئية ، وهي زجاج السيليكا. بعد ذلك ، نحتاج إلى فهم كيف تنقل الألياف البصرية الضوء.

الانكسار والانعكاس والانعكاس الكلي للضوء

عندما ينبعث الضوء من مادة إلى أخرى ، تحدث الانكسار والانعكاس في الواجهة بين المادتين ، وزيادة زاوية الانكسار مع زاوية ضوء الحادث. كما هو مبين في الشكل ① → ②. عندما تصل زاوية الحادث أو تتجاوز زاوية معينة ، يختفي الضوء المنكسر وينعكس كل ضوء الحادث ، وهو الانعكاس الكلي للضوء ، كما هو موضح في → ③ في الشكل التالي.

المواد المختلفة لها مؤشرات الانكسار المختلفة ، وبالتالي فإن سرعة انتشار الضوء تختلف في الوسائط المختلفة. يتم تمثيل مؤشر الانكسار بواسطة n ، n = c/v ، حيث C هي السرعة في الفراغ و V هي سرعة الانتشار في الوسط. يسمى الوسيط مع مؤشر الانكسار الأعلى وسيط كثيف بصريًا ، في حين يسمى الوسيط مع مؤشر الانكسار السفلي وسيلة متناثرة بصريًا. الشرطان لتحدث الانعكاس الكلي هما:
1. انتقال من المتوسطة الكثيفة بصريًا إلى المتوسط ​​المتفرق بصريًا
2. زاوية الحادث أكبر من أو تساوي الزاوية الحرجة للانعكاس الكلي
من أجل تجنب تسرب الإشارة البصرية وتقليل فقدان الإرسال ، يحدث انتقال البصرية في الألياف البصرية في ظل ظروف الانعكاس الكلية.

الجزء 2. مقدمة لوسائط الانتشار البصري (الألياف البصرية)

هيكل الألياف البصرية

مع المعرفة الأساسية لانتشار الضوء الانعكاس ، من السهل فهم بنية تصميم الألياف البصرية. تنقسم الألياف العارية للألياف الضوئية إلى ثلاث طبقات: الطبقة الأولى هي النواة ، التي تقع في وسط الألياف وتتكون من ثاني أكسيد السيليكون عالي النقاء ، والمعروفة أيضًا باسم الزجاج. يبلغ القطر الأساسي عمومًا 9-10 ميكرون (الوضع المفرد) ، 50 أو 62.5 ميكرون (متعدد الوضع). يحتوي Core الألياف على فهرس الانكسار العالي ويستخدم لنقل الضوء. الكسوة الثانية للطبقة: تقع حول قلب الألياف ، والتي تتكون أيضًا من زجاج السيليكا (بقطر 125 ميكرون بشكل عام). مؤشر الانكسار من الكسوة منخفض ، مما يشكل حالة انعكاس كلي مع قلب الألياف. طبقة الطلاء الثالثة: الطبقة الخارجية هي طلاء راتنج معزز. تتميز مادة الطبقة الواقية بقوة عالية ويمكنها تحمل تأثيرات كبيرة ، وحماية الألياف البصرية من تآكل بخار الماء والتآكل الميكانيكي.

فقدان انتقال البصرية

يعد فقدان انتقال الألياف البصرية عاملًا مهمًا للغاية يؤثر على جودة التواصل البصري للألياف. تشمل العوامل الرئيسية التي تسبب توهين الإشارات البصرية فقدان الامتصاص للمواد ، وفقدان الانتثار أثناء الإرسال ، وغيرها من الخسائر الناجمة عن عوامل مثل ثني الألياف ، والضغط ، وفقدان الالتحام.

يختلف الطول الموجي للضوء ، وفقدان الإرسال في الألياف البصرية يختلف أيضًا. من أجل تقليل الخسارة وضمان تأثير الإرسال ، تم التزام العلماء بإيجاد الضوء الأنسب. الضوء في نطاق الطول الموجي يبلغ 1260 نانومتر ~ 1360nm له أصغر تشويه إشارة ناتج عن التشتت وأدنى فقدان الامتصاص. في الأيام الأولى ، تم اعتماد نطاق الطول الموجي هذا كنطاق الاتصال البصري. في وقت لاحق ، بعد فترة طويلة من الاستكشاف والممارسة ، قام الخبراء تدريجياً بتلخيص نطاق الطول الموجي منخفض الخسارة (1260nm ~ 1625nm) ، وهو الأنسب للإرسال في الألياف البصرية. وبالتالي فإن الموجات الخفيفة المستخدمة في التواصل البصري الألياف هي عمومًا في نطاق الأشعة تحت الحمراء.

تصنيف الألياف البصرية

الألياف البصرية متعددة الأدوار: ينقل أوضاع متعددة ، لكن التشتت الكبير بين الوسائط يحد من تواتر نقل الإشارات الرقمية ، ويصبح هذا القيد أكثر حدة مع زيادة مسافة الإرسال. لذلك ، فإن مسافة انتقال الألياف البصرية متعددة الأدوار قصيرة نسبيًا ، وعادة ما تكون على بعد بضعة كيلومترات فقط.
ألياف الوضع المفرد: مع قطر الألياف الصغيرة جدًا ، يمكن نقل وضع واحد من الناحية النظرية ، مما يجعله مناسبًا للاتصال عن بُعد.

الجزء 3. مبدأ العمل لنظام الاتصالات البصرية الألياف

نظام الاتصالات الألياف الضوئية

تنتقل منتجات الاتصالات بشكل شائع ، مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر ، المعلومات في شكل إشارات كهربائية. عند إجراء الاتصال البصري ، تتمثل الخطوة الأولى في تحويل الإشارات الكهربائية إلى إشارات بصرية ، ونقلها عبر الكابلات البصرية الألياف ، ثم تحويل الإشارات البصرية إلى إشارات كهربائية لتحقيق الغرض من نقل المعلومات. يتكون نظام الاتصال البصري الأساسي من جهاز إرسال بصري ، ومستقبل ضوئي ، ودائرة الألياف الضوئية لنقل الضوء. من أجل ضمان جودة نقل إشارة المسافات الطويلة وتحسين عرض النطاق الترددي للإرسال ، يتم استخدام أجهزة التمييز الضوئية ومضاعفات الإرسال بشكل عام.

فيما يلي مقدمة موجزة لمبدأ العمل لكل مكون في نظام الاتصالات البصرية الألياف.

المرسل البصري:يحول الإشارات الكهربائية إلى إشارات بصرية ، تتألف بشكل أساسي من معدلات الإشارات ومصادر الضوء.

إشارة مضاعفة:الأزواج إشارات الناقل البصرية المتعددة من أطوال موجية مختلفة في نفس الألياف البصرية للنقل ، مما يحقق تأثير مضاعفة سعة الإرسال.

مكرر بصري:أثناء الإرسال ، سوف يتدهور الشكل الموجي وشدة الإشارة ، لذلك من الضروري استعادة الشكل الموجي إلى الشكل الموجي الأنيق للإشارة الأصلية وزيادة شدة الضوء.

إشارة demultiplexer:تحلل الإشارة المتعددة في إشاراتها الفردية الأصلية.

المتلقي البصري:يحول الإشارة البصرية المستقبلة إلى إشارة كهربائية ، تتكون بشكل أساسي من كاشف ضوئي ومزيل.

الجزء 4. مزايا وتطبيقات الاتصال البصري

مزايا التواصل البصري:

1. مسافة التتابع الطويلة ، الاقتصادية وتوفير الطاقة
على افتراض انتقال 10 جيجابت في الثانية (10 مليارات أو 1 إشارات في الثانية) من المعلومات ، إذا تم استخدام الاتصال الكهربائي ، يجب نقل الإشارة وتعديلها كل بضع مئات من الأمتار. مقارنة بهذا ، يمكن أن يؤدي استخدام الاتصال البصري إلى تحقيق مسافة ترحيل تزيد عن 100 كيلومتر. كلما تم ضبط الإشارة في المرات ، كلما انخفضت التكلفة. من ناحية أخرى ، فإن مادة الألياف البصرية هي ثاني أكسيد السيليكون ، والتي تحتوي على احتياطيات وفيرة وتكلفة أقل بكثير من الأسلاك النحاسية. لذلك ، فإن التواصل البصري له تأثير اقتصادي وتوفير الطاقة.

2. نقل المعلومات السريعة وجودة الاتصال العالية

على سبيل المثال ، الآن عند التحدث إلى الأصدقاء في الخارج أو الدردشة عبر الإنترنت ، لا يكون الصوت متخلفًا كما كان من قبل. في عصر الاتصالات ، يعتمد التواصل الدولي بشكل أساسي على الأقمار الصناعية الاصطناعية كمرحلات للإرسال ، مما يؤدي إلى مسارات انتقال أطول ووصول إشارة أبطأ. والاتصال البصري ، بمساعدة الكابلات الغواصة ، يقلل من مسافة الإرسال ، مما يجعل ناقل حركة المعلومات أسرع. لذلك ، يمكن أن يحقق استخدام التواصل البصري تواصلًا أكثر سلاسة مع الخارج.

3. القدرة القوية لمكافحة التداخل وسرية جيدة

قد يعاني الاتصال الكهربائي من أخطاء بسبب التداخل الكهرومغناطيسي ، مما يؤدي إلى انخفاض في جودة الاتصال. ومع ذلك ، لا يتأثر التواصل البصري بالضوضاء الكهربائية ، مما يجعله أكثر أمانًا وأكثر موثوقية. وبسبب مبدأ الانعكاس الكلي ، تقتصر الإشارة تمامًا على الألياف البصرية للإرسال ، وبالتالي فإن السرية جيدة.

4. سعة الإرسال الكبيرة
بشكل عام ، يمكن للاتصالات الكهربائية نقل 10 جيجابت في الثانية (10 مليارات أو 1 إشارات في الثانية) من المعلومات ، في حين أن الاتصالات البصرية يمكن أن تنقل 1 تلي في الثانية (1 تريليون أو إشارات) من المعلومات.

تطبيق التواصل البصري

هناك العديد من المزايا للتواصل البصري ، وقد تم دمجها في كل ركن من أركان حياتنا منذ تطورها. تقوم أجهزة مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر وهواتف IP التي تستخدم الإنترنت بتوصيل الجميع بمنطقةهم ، والبلد بأكمله ، وحتى شبكة الاتصالات العالمية. على سبيل المثال ، تجمع الإشارات المنبعثة من أجهزة الكمبيوتر والهواتف المحمولة في محطات قاعدة اتصالات الاتصالات المحلية ومعدات مزود الشبكة ، ثم يتم نقلها إلى أجزاء مختلفة من العالم من خلال الكابلات البصرية الألياف في الكابلات الغواصة.

يعتمد إدراك الأنشطة اليومية مثل مكالمات الفيديو والتسوق عبر الإنترنت وألعاب الفيديو والشراهة التي تشاهد جميعها على دعمها ومساعدتها وراء الكواليس. جعل ظهور الشبكات البصرية حياتنا أكثر راحة ومريحة.