Čo je jadrom optického vlákna? Kompletný sprievodca

The jadro an optické vlákno je centrálna, valcovitá oblasť vlákna nesúca svetlo, vyrobená z ultračistého kremičitého skla alebo špecializovaného plastu, cez ktaleboú putujú dátovo kódované laserové alebo LED impulzy od vysielača k prijímaču. V jednovidovom vlákne navrhnutom pre diaľkové telekomunikácie toto jadro meria len samé 8 až 10 mikrónov v priemere - približne jedna desatina hrúbky ľudského vlasu. Okolo jadra je vrstva obkladového skla s mierne nižším indexom lomu a hranica medzi týmito dvoma materiálmi zachytáva svetlo v jadre prostredníctvom fyzikálneho princípu úplného vnútorného odrazu. Podľa odporúčania Medzinárodnej telekomunikačnej únie (ITU-T) G.652, ktoré štandardizuje najrozšírenejšie jednovidové optické vlákno, jadro musí byť vycentrované v rámci plášťa s chybou sústrednosti menšou ako 0,6 mikrónu aby sa zabezpečila nízka strata spoja a efektívne spojenie svetla. Porozumenie čo je jadrom optického vlákna je základom pre pochopenie toho, prečo môžu moderné optické siete prenášať terabitov za sekundu dát cez oceány s opakovačmi signálu vzdialenými od seba viac ako 100 kilometrov.

Fyzická štruktúra a materiál jadra optického vlákna

Jadro je vyrobené z vysoko čisteného kremičitého skla (SiO₂), ktoré bolo dopované malým množstvom oxidu germáničitého alebo inými prvkami zvyšujúcimi index, aby sa vytvoril index lomu o niečo vyšší ako je index lomu okolitého čistého kremičitého plášťa. Výrobný proces, známy ako modifikované chemické naparovanie alebo vonkajšie naparovanie, začína vytvorením predlisku – hrubej sklenenej tyče s dĺžkou približne jeden meter a priemerom dva centimetre. Vo vnútri tohto predlisku je oblasť jadra vytvorená ukladaním vrstvy po vrstve kremičitých sadzí dopovaných germániom na rotujúci tŕň vo vnútri sústruhu, všetko v prísne čistom prostredí, aby sa zabránilo kontaminácii. Po dokončení procesu nanášania sa predlisok zahreje na približne 2 000 stupňov Celzia (3 632 stupňov Fahrenheita) , čo spôsobí, že sadze sa spoja do pevnej, priehľadnej tyčinky s jadrom presne v strede. Tento predlisok sa potom vloží do ťažnej veže, kde sa hrot zahreje na teplotu mäknutia a tenký prameň sa ťahá smerom dole pomocou mechanizmu ťahača. Proces ťahania redukuje priemer predlisku z centimetrov na konečný priemer vlákna 125 mikrónov , zatiaľ čo jadro si zachováva svoj proporcionálny priemer - zvyčajne 9 mikrónov pre jednorežimový režim or 50 až 62,5 mikrónov pre multirežim vláknina. Podľa spoločnosti Corning Incorporated, vynálezcu nízkostratového optického vlákna, je čistota jadrového skla taká extrémna, že ak by bolo z tohto materiálu vyrobené okno s hrúbkou kilometer, vyzeralo by číre ako tabuľa obyčajného okenného skla. Nečistoty ako železo, meď a molekuly vody sú znížené na časti na miliardu, pretože aj stopové množstvá by rozptyľovali alebo absorbovali svetelný signál, čo by vytváralo neprijateľný útlm na veľké vzdialenosti.

Ako jadro vedie svetlo: Úplná vnútorná reflexia

Jadro vedie svetlo pozdĺž vlákna využívaním optického javu úplného vnútorného odrazu na hranici plášťa jadra: keď svetlo putujúce v jadre s vyšším indexom narazí na hranicu pod malým uhlom, odrazí sa úplne späť do jadra a neunikne do plášťa. Fyzika za týmto efektom je opísaná Snellovým zákonom lomu. Index lomu jadra dotovaného germániom je približne 1,47 až 1,48 , zatiaľ čo povlak z čistého oxidu kremičitého má index približne 1.46 . Malý rozdiel, známy ako delta, je zvyčajne okolo 0,3 % až 0,5 % pre jednovidové vlákno. Svetelné lúče vstupujúce do vlákna pod uhlom menším ako je akceptačný uhol zasiahnu rozhranie jadro-plášť pod kritickým uhlom a budú úplne odrazené. Tento proces sa opakuje tisíckrát na meter, pričom svetelný signál kľukatí nadol po dĺžke vlákna s mimoriadne nízkou stratou. Moderné optické vlákno vykazuje útlm len 0,2 decibelu na kilometer pri vlnovej dĺžke 1 550 nanometrov , čo znamená, že po prejdení 100 kilometrov si signál zachová približne 1 % svojho pôvodného výkonu. Táto pozoruhodná transparentnosť, umožnená čistotou jadro z optického vlákna , je dôvodom, prečo môžu medzikontinentálne podmorské káble preklenúť oceánske panvy so zosilnením iba v diskrétnych opakovacích bodoch. Profil indexu lomu jadra – či už ide o jednoduchý krokový index, kde sa index náhle mení na hranici plášťa jadra, alebo odstupňovaný index, kde index postupne klesá od stredu smerom von – určuje, ako sa svetelné módy šíria a ako veľmi modálna disperzia obmedzuje šírku pásma vlákna.

Jednorežimové verzus viacrežimové jadro: Priemer určuje všetko

Priemer jadra optického vlákna určuje, či vlákno funguje ako jednovidový vlnovod podporujúci iba jednu optickú dráhu alebo ako viacvidový vlnovod podporujúci stovky dráh a tento rozdiel má hlboké dôsledky na šírku pásma, schopnosť vzdialenosti a náklady na systém. V tabuľke nižšie sú zhrnuté štandardné veľkosti jadier a ich zodpovedajúce výkonové charakteristiky.

Prečo veľkosť jadra priamo ovplyvňuje šírku pásma a vzdialenosť

Priemer jadra určuje počet optických režimov, ktoré môže vlákno podporovať, a pretože rôzne režimy prechádzajú rôznymi dĺžkami dráhy cez jadro, väčšie jadro zavádza modálnu disperziu, ktorá šíri svetelné impulzy v čase a obmedzuje maximálnu rýchlosť prenosu dát dosiahnuteľnú na vzdialenosť. Jednorežimový jadro z optického vlákna so svojím 9-mikrónovým priemerom pôsobí ako vlnovod, ktorý obmedzuje svetlo na jediný, dobre definovaný priestorový režim. Pretože existuje len jedna cesta, všetka svetelná energia sa pohybuje v podstate rovnakou rýchlosťou pozdĺž osi vlákna a krátky impulz spustený na vstupe prichádza na výstup s minimálnym časovým šírením. To umožňuje jednorežimovým systémom modulovať dáta rýchlosťou 100 gigabitov za sekundu alebo viac a prenášať tieto signály na 80 kilometrov bez regenerácie. Naproti tomu 50-mikrónové multirežimové jadro umožňuje súčasné šírenie stoviek režimov. Každý režim sleduje mierne odlišnú cik-cak cestu cez jadro a režimy, ktoré sa odrážajú v strmších uhloch, cestujú dlhšiu celkovú vzdialenosť. Výsledné rozšírenie impulzu, známe ako modálna disperzia, obmedzuje štandardné vlákno OM1 na približne 300 metrov pri 10 gigabitoch za sekundu . Laserom optimalizované vlákno OM4 to zmierňuje použitím profilu odstupňovaného indexu v jadre, kde index lomu klesá parabolicky od stredu smerom von, čo spôsobuje, že vonkajšie režimy sa pohybujú rýchlejšie a zužujú sa rozpätie času príchodu. Toto spresnenie rozširuje dosah na 400 metrov pri 100 gigabitoch za sekundu , čo je dostatočné pre veľkú väčšinu prepojení dátových centier. Fyzika jadro z optického vlákna teda predstavuje priamy kompromis: menšie jadro poskytuje väčšiu šírku pásma na väčšie vzdialenosti, ale vyžaduje presnejšie zarovnanie laserových zdrojov a konektorov, zatiaľ čo väčšie jadro uľahčuje zarovnávanie a znižuje náklady na konektory na úkor produktu so šírkou pásma.

Často kladené otázky o jadrách z optických vlákien

Z čoho je vyrobené jadro optického vlákna?

The jadro an optical fiber je vyrobený z ultračistého kremičitého skla dopovaného oxidom germáničitým, aby sa mierne zvýšil jeho index lomu nad plášť. Plastové jadrá optických vlákien sú vyrobené z polymetylmetakrylátu alebo polykarbonátu. Čistota skla je kritickým faktorom, ktorý umožňuje nízky útlm potrebný pre komunikáciu na veľké vzdialenosti.

Dá sa jadro optického vlákna opraviť, ak sa rozbije?

Zlomený jadro z optického vlákna nie je možné opraviť v zmysle neviditeľného spojenia. Štandardnou praxou je čisto odštiepiť zlomené konce a potom ich spojiť pomocou elektrického oblúka v zváračke. Výsledný spoj zarovná jadrá s presnosťou niekoľkých mikrónov a vytvorí súvislý sklenený spoj so stratou pri vložení zvyčajne pod 0,05 decibelov . Mechanické spoje využívajúce presné vyrovnávacie prípravky a gél na prispôsobenie indexu sú alternatívou pre dočasné opravy.

Ako veľkosť jadra ovplyvňuje farbu konektora vlákna?

Odvetvový štandardný farebný kód pomáha technikom identifikovať typ vlákna na prvý pohľad. Jednovidové konektory a prepojovacie káble s 9-mikrónovým jadrom sú zvyčajne modré (UPC Polish) alebo zelené (APC Polish). Multi-mode konektory s 50 alebo 62,5 mikrónovým jadrom sú béžové pre OM1, čierne pre OM2, aqua pre OM3 a fialové pre OM4. Farba konektora nemení optické vlastnosti jadro ale zabraňuje nákladnému miešaniu nekompatibilných typov vlákien.

Prečo menšie jadro vyžaduje laser a nie LED zdroj svetla?

9 mikrónov jadro an optical fiber navrhnutý pre jednorežimovú prevádzku má plochu prierezu len asi 60 štvorcových mikrónov. Spojenie svetla zo širokoplošnej LED do tak malého otvoru je extrémne neefektívne, pretože väčšina svetla LED dopadá mimo akceptačný uhol jadra. Laserová dióda so svojím úzkym, vysoko kolimovaným lúčom dokáže sústrediť oveľa vyššie percento svojho výkonu priamo do jadra. Vlákna s viacerými režimami s 50 až 62,5 mikrónovými jadrami majú oveľa väčšiu akceptačnú oblasť a môžu byť efektívne poháňané lacnejšími LED alebo laserovými zdrojmi vyžarujúcimi povrch s vertikálnou dutinou.

The jadro an optical fiber je definujúcim prvkom, ktorý určuje, či vlákno môže prenášať jeden prúd údajov cez oceán alebo distribuovať signály s veľkou šírkou pásma v dátovom centre. Jeho priemer, čistota a profil indexu lomu sú výsledkom desaťročí vedy o materiáloch a zdokonaľovania výroby. Pochopenie úlohy jadra objasňuje, prečo jednorežimové a viacrežimové vlákna slúžia takým rozdielnym miestam v modernej komunikačnej infraštruktúre.