Kuinka optinen kaapeli toimii? Käytännön opas valoon perustuvaan signaalinsiirtoon

Jos pidät valokuitukaapelin leikattua päätä seinää vasten ja näet himmeän punaisen hehkun, katsot itse signaalia. Tuo hehku on dataa: pieni valonlähde, joka syttyy ja sammuu miljoonia kertoja sekunnissa. Optinen kaapeli toimii muuntamalla sähköiset signaalit valopulsseiksi, ohjaamalla ne hiusten ohuen lasi- tai muovisäikeen läpi ja muuttamalla ne takaisin sähköisiksi signaaleiksi toisessa päässä. Koska tieto kulkee fotoneina eikä elektroneina, se voi ylittää kymmeniä tai jopa satoja kilometrejä pienellä häviöllä, suurella kaistanleveydellä ja täydellisellä häiriönsietokyvyllä sähkömagneettisia häiriöitä vastaan. Yksi varoitus ennen kaikkea muuta: älä koskaan katso suoraan liitetyn kuidun päähän, koska todellisissa verkoissa käytetty näkymätön infrapunavalo voi vahingoittaa silmiäsi pysyvästi. Alla olevissa osissa selitetään fysiikka vaihe vaiheelta ja yhdistetään sitten jokainen periaate yksityiskohtiin, joilla on merkitystä määrittäessäsi, ostaessasi tai asentaessasi kaapelia todellista projektia varten.

Mitä optisen kaapelin sisällä oikeastaan on

Johtopäätös ensin: optinen kaapeli on tarkkuusvaloputki, joka on kääritty suojaukseen. Sen työosa on ultrapuhdasta lasia, joka on vedetty ohuemmaksi kuin hiukset; kaikki muu on olemassa valon pitämiseksi tuon säikeen sisällä ja säikeen pitämiseksi ehjänä.

• Ydin. Valoa kantava keskus, valmistettu lasista tai optisesta muovista. Lasikuitujen ytimet ovat noin 8-62,5 mikronia tyypistä riippuen.
• Verhous. Ydintä ympäröivä lasikerros, jonka taitekerroin on hieman pienempi; se vangitsee valon sisälle. Sydän- ja verhouspari on tyypillisesti halkaisijaltaan 125 mikronia.
• Pinnoite ja puskuri. Pehmeä akrylaattikerros, yleensä noin 250 mikronia, joka pehmustaa lasia hankausta ja kosteutta vastaan.
• Vahvuus jäseniä. Aramidilankaa tai lasikuitutangot, jotka kantavat vetokuormitusta, joten lasin ei koskaan tarvitse.
• Ulkotakki. PVC- tai vähän savutonta halogeenitonta materiaalia sisällä, UV-stabiloitua polyeteeniä ulkona, valittu kestämään kolhuja, vettä, lämpötilan vaihteluita ja jyrsijöitä.

Lasi on niin puhdasta, että insinöörit haluavat sanoa, että valtameri, jos se olisi tehty siitä, antaisi sinun nähdä merenpohjan pinnasta. Valo voi kulkea monta kilometriä ennen kuin edes puolet siitä katoaa.

Täydellinen sisäinen heijastus: miksi valo pysyy sisällä

Ohjaavana periaatteena on täydellinen sisäinen heijastus. Ydin on seostettu niin, että sen taitekerroin on suurempi kuin verhous, noin 1,48 verrattuna 1,44:ään tyypillisessä monimuotokuidussa. Kun ytimessä kulkeva valo osuu tuohon rajaan riittävän matalassa kulmassa, se heijastuu täydellisesti takaisin täydellisen peilin tavoin ja siksakkia pitkin säiettä. Koska heijastus on kokonaisvaltaista, valoa ei pääse pääsääntöisesti verhoukseen ja signaali etenee kilometrejä.

Kulma on kaikki kaikessa. Valon tulee päästä kuituun kartion sisällä, jota kutsutaan vastaanottokartioksi; sen kartion ulkopuolella se vuotaa verhoukseen ja sammuu metrien sisällä. Tästä syystä liittimen päätypinnat on kiillotettava ja liitettävä tarkasti. Likainen tai väärin kohdistettu liitin heittää valoa vastaanottokulman ulkopuolelle ja muuttaa puhtaan linkin häviöttömäksi, minkä vuoksi kuitutestaus alkaa aina päätypinnan tarkastuksella ja puhdistuksella.

Koko ketju: Sähköstä valoon ja takaisin

1. Lähetin muuntaa elektronit fotoneiksi

Lähetyspäässä ajuripiiri vaihtaa valonlähteen digitaalisten tietojen mukaisesti, yleensä yksinkertaisella päälle-pois-avaimella. Lyhyen ulottuvuuden järjestelmissä käytetään LEDejä tai VCSEL:itä (pystysuoraa onteloa pintaa emittoivia lasereita); pitkän matkan järjestelmissä käytetään tarkkuuslaserdiodeja, jotka on lukittu infrapuna-aallonpituuksiin, yleisimmin 850 nm, 1310 nm tai 1550 nm, missä lasi on kirkkaimmin.

2. Kuitu kuljettaa pulssit

Vaimennus määrittää budjetin. Monimuotokuitu häviää noin 3 dB kilometriä kohden 850 nm:ssä, joten signaali karkeasti puolittuu joka kilometri. Yksimuotokuitu aallonpituudella 1550 nm menettää noin 0,2 dB kilometriä kohden, minkä vuoksi sille rakennetaan pitkän matkan ja sukellusreittejä. Jokainen yhdistetty liitin lisää tyypillisesti 0,3–0,5 dB ja jokainen fuusioliitos noin 0,1 dB, ja insinöörit lisäävät nämä luvut varmistaakseen, että linkki todella sulkeutuu.

3. Vahvistimet ja regeneraattorit palauttavat signaalin

Erbium-seostetut kuituvahvistimet tehostavat optista signaalia suoraan ilman, että ne muuttavat sitä takaisin sähköksi, ja kymmenien kilometrien etäisyydellä toisistaan olevat regeneraattorit rakentavat puhtaita pulsseja pisimmillä reiteillä.

4. Vastaanotin muuntaa fotonit takaisin dataksi

Kaukopäässä oleva fotodiodi muuttaa valon voimakkuuden takaisin sähkövirraksi, ja vastaanottava elektroniikka rekonstruoi alkuperäisen digitaalisen virran. Koko ketju, sähköstä optiseen ja takaisin, on syy, miksi kuitulinkkejä kuvataan päästä päähän -häviöbudjetilla eikä pelkästään kaapelin pituudella.

Single-Mode vs. Multimode: Putken halkaisijan valinta

Ytimen koko on merkittävin määrittely, koska se määrittää kuinka monta polkua, joita kutsutaan moodiksi, valo voi kulkea. Pieni ydin sallii vain yhden polun, joten kaikki valo saapuu lähes samaan aikaan. Suuri ydin mahdollistaa monia polkuja, ja saapumisajan hajautus, joka tunnetaan nimellä modaalinen hajonta, rajoittaa sekä etäisyyttä että kaistanleveyttä. Alla olevassa taulukossa on yhteenveto kompromissista.

Kotitalousversio: Digital Optical Audio

TV:n tai soundbarin takana oleva neliömäinen optinen portti toimii täsmälleen samalla fysiikalla miniatyyrinä. Noin millimetrin paksuinen muovinen optinen kuitu kuljettaa pulsseja näkyvästä punaisesta LEDistä noin 650 nm:ssä, joka on alustettu digitaaliseksi S/PDIF-äänivirraksi. Kaukopäässä oleva fotodiodi muuntaa pulssit takaisin sähköiseksi signaaliksi dekooderipiirille.

Käytännön hyöty on eristyneisyys. Koska mikään johtava ei ylitä aukkoa, optinen ääni eliminoi maadoitussilmukat, jotka aiheuttavat huminaa ja sähkömagneettista kohinaa lähellä olevista virtalähteistä. Sen rajoitus on kaistanleveys: formaatti kantaa pakatun 5.1-surround-äänen, mutta ei häviötöntä, nopeaa bittinopeutta uudempien HDMI-versioiden hallintaa, minkä vuoksi HDMI on ottanut haltuunsa useimmat kotiteatterireitit.

Hybridimallit: Kun yhden reitin on kuljettava virtaa ja dataa

Teollisuusprojektit tarjoavat harvoin erillisiä reittejä. Torninosturi tarvitsee servotehoa ja anturipalautteen; tunnelointikone tarvitsee moottorin virta- ja anturitietoja; vuorenhuippuvalvontaasema tarvitsee elektroniikkaa ja kamerat kytkettynä. Virtakaapelin ja datakaapelin vetäminen vierekkäin kaksinkertaistaa asennustyön, kaksinkertaistaa lokeron tai kanavatilan ja kaksinkertaistaa vikakohdat. Kuituoptinen komposiittikaapeli ratkaisee tämän sijoittamalla kupariset virtaytimet ja optiset kuidut yhteen jaettuun vaippaan, joten yksi veto tuottaa molemmat.

Kuituoptinen komposiittikaapeli, joka yhdistää virtaytimet ja optiset kuidut Tämä hybridikaapeli sijoittaa kupariset tehojohtimet ja optiset kuituyksiköt yhteen jaettuun vaippaan, jolloin yhdellä vedolla voidaan toimittaa sekä tehoa että dataa – ihanteellinen nostureille, tunnelointikoneille ja etävalvonta-asemille, joissa erilliset reitit eivät ole käytännöllisiä. Näytä tuote →

Näiden hybridien sisällä olevat optiset elementit noudattavat kaikkia edellä kuvattuja periaatteita: sisäinen kokonaisheijastus, aallonpituudesta riippuvainen vaimennus ja liittimen häviöbudjetit. Takin on sen sijaan kestettävä ympäristöä, olipa kyseessä sitten UV-säteily paljaissa torneissa, öljy tehtaan kaivoissa tai suolapitoinen ilma lähellä rannikkoa. Kun käyttöjärjestelmät ja invertterit tuottavat voimakasta sähköistä melua, kaapelin ympärillä oleva vahvistettu suojaus pitää ympäröivän laitteiston suojattuna. valo itsessään on immuuni, mutta päätteet ja elektroniikka hyötyvät silti.

GDL23 panssaroitu kuituoptinen komposiittikaapeli suoraan hautaamiseen Kaksikerroksisen teräsnauhapanssarin, vettä estävän täytön ja kemikaaleja kestävän suojuksen ansiosta GDL23 suojaa sekä optisia että kuparielementtejä ankarissa ympäristöissä, kuten tunneleissa, vajousvyöhykkeissä ja alueilla, joissa asemat ja invertterit aiheuttavat voimakasta sähköistä melua. Näytä tuote →

Automatisoiduilla tuotantolinjoilla komposiittirakenteet määritellään yleensä muiden teollisuuskaapeliperheiden rinnalle, ja se auttaa näkemään ne kokonaisen kontekstissa. kaapeliratkaisut automaatioympäristöihin eikä yksittäisinä komponentteina.

Missä kuitu voittaa ja missä kupari on edelleen järkevää

Kuitu ei ole automaattisesti oikea vastaus, ja sen käsitteleminen sellaisena johtaa ylikulutukseen. Kuitu voittaa ratkaisevasti etäisyyden, säiettä kohden olevan kaistanleveyden, EMI-häiriönsietokyvyn, painon ja turvallisuuden suhteen, koska lasikuitua koskettaminen taivuttaa sitä ja himmentää signaalia tehden tunkeutumisen havaittavissa. Kupari voittaa yhteyskustannuksissa, päättämisen yksinkertaisuudessa ja kyvyssä toimittaa tehoa datan kanssa samassa parissa, minkä vuoksi kupari hallitsee edelleen useimpien järjestelmien viimeisiä metrejä. Jopa kuparissa signaalin laatua säätelee eristyskemia: PE-dielektrit, joilla on pieni dielektrisyysvakio, vähentävät kapasitanssia, joka vaimentaa suurtaajuisia signaaleja, periaatetta käsitellään tarkemmin artikkelissamme kuinka alhaisen dielektrisyysvakion materiaalit tukevat vakaata siirtoa .

Kun määrität kuitu- tai hybridikomposiitin, tarkista nämä kohdat ennen hintojen vertailua:

• Vaimennusluokitus käyttöaallonpituudellasi, dB/km, joka vastaa linkkibudjettiasi.
• Pienin taivutussäde , tyypillisesti 10-20 kertaa vaipan halkaisija, ja tiukemman säteen mallit ovat tärkeitä vetoketjuissa ja liikkuvissa laitteissa.
• Takin materiaali : vähäsavuinen halogeeniton suljettuihin julkisiin tiloihin, UV-stabiloitu polyeteeni ulkotiloihin, öljynkestävät yhdisteet teollisuuslattioihin.
• Kuitujen määrä ja tyyppi : salli varakuituja, koska 8-kaapeli maksaa hieman enemmän kuin 4-kaapeli, mutta myöhemmin uudelleenvetäminen maksaa paljon.
• Mekaaninen suojaus , kuten panssarointi, missä murskaavat kuormat tai jyrsijät ovat realistinen riski.

PRAP3 suojattu kolmitunnistimen signaalikaapeli PRAP3 sisältää ryhmä- ja yleissuojauksen kolmiytimistä tasapainotettua lähetystä varten, ja se pitää kooderin ja anturisignaalit puhtaina automatisoiduilla tuotantolinjoilla, joilla invertterin kohina on huolenaihe. Näytä tuote →

Toimiva vastaus kysymykseen "miten optinen kaapeli toimii" sopii yhteen lauseeseen: lähetin muuttaa datan ajoitetuiksi valopulsseiksi, täydellinen sisäinen heijastus vangitsee pulssit lasiytimeen ja kuljettaa ne mahdollisimman vähäisin häviöin, ja vastaanotin muuttaa valon takaisin dataksi. Kaikki muu, verhouskemiasta ja aallonpituuden valinnasta takin materiaaliin, on olemassa tämän tuomion suorittamiseksi. Jos suunnittelet reittiä, jossa yhdistyvät teho ja viestintä, aloita etäisyydestä, ympäristöstä ja sähkömagneettisista olosuhteista ja sovita sitten kaapelin rakenne näiden kolmen tosiasian mukaan. Valmistaja, joka suunnittelee sekä kupari- että optisia rakenteita saman katon alle, voi yleensä ehdottaa komposiittirakennetta, joka säästää kokonaan toisen vedon, ja vahinkobudjetin ja ympäristövaatimusten tarkistaminen toimittajan kanssa ennen eritelmän viimeistelemistä on halvin vakuutus, jonka voit ostaa.