uma seção de óptica que trata da transmissão de luz e imagens através de guias de luz e guias de onda da faixa óptica, em particular, através de guias de luz multicore e feixes de fibras flexíveis. V. o. surgiu apenas na década de 1950. século 20
Nas peças de fibra óptica, os sinais de luz são transmitidos através de guias de luz de uma superfície (a extremidade do guia de luz) para outra - a saída como um conjunto de elementos de imagem, cada um dos quais é transmitido através de seu próprio núcleo guia de luz (Fig. .). Em peças de fibra, geralmente é usada fibra de vidro, cujo núcleo guia de luz (núcleo) possui um alto índice de refração e é cercado por vidro - uma concha com menor índice de refração. Como resultado, na interface entre o núcleo e a casca, os raios sofrem reflexão interna total e se propagam apenas ao longo do núcleo guia de luz. Apesar de muitas dessas reflexões, as perdas nas fibras ópticas se devem principalmente à absorção de luz na massa do fio de vidro. A transmitância das fibras ópticas na região visível do espectro é de 30 a 70% com comprimento de 1 m. O diâmetro dos fios condutores de luz em peças para diversos fins varia de vários mícrons a um centímetro. A propagação da luz através de fibras ópticas, cujo diâmetro é grande em comparação com o comprimento de onda, ocorre de acordo com as leis da óptica geométrica (ver Óptica geométrica), enquanto as fibras mais finas (da ordem de um comprimento de onda) propagam apenas tipos individuais de ondas ou suas combinações, o que é considerado no âmbito da óptica ondulatória.
Para transmitir a imagem, são utilizados guias de luz multi-núcleo rígidos e feixes com colocação regular de fibras. A imagem é projetada na extremidade de entrada pela objetiva e na extremidade de saída é observada através da ocular. A qualidade da imagem em tais dispositivos é determinada pelo diâmetro dos fios condutores de luz, seu número total e a perfeição da fabricação. Normalmente, a resolução de tais feixes é de 10 a 50 linhas por 1 mm e em guias de luz rígidos e peças sinterizadas a partir deles, até 100 linhas por 1 mm. Defeitos em tais peças, onde quer que estejam ao longo do comprimento dos fios condutores de luz, são transmitidos através dos fios para a extremidade de saída e estragam a imagem. Isso dificulta a produção de peças de alta qualidade.
Placas recortadas de fibras densamente sinterizadas servem como vidros frontais dos cinescópios e transferem a imagem para sua superfície externa, o que possibilita fotografá-la em contato. Nesse caso, a parte principal da luz emitida pelo fósforo atinge o filme e a iluminação é criada dez vezes maior do que ao fotografar com uma câmera com lente.
A abertura numérica das peças de fibra geralmente está na faixa de 0,4-1,0. Feixes convergentes de guias de luz - focons (cones de foco) - coletam na extremidade estreita o fluxo de luz incidente na extremidade larga. Ao mesmo tempo, a iluminação e a inclinação dos raios aumentam na saída. Aumentar a concentração é possível até que a abertura numérica do cone do feixe na saída atinja a abertura numérica do guia de luz. Uma diminuição adicional no diâmetro da extremidade de saída leva à saída de parte dos raios da superfície lateral da fibra ou ao seu retorno à extremidade larga.
V. o. usado em quase todos os ramos da pesquisa científica. Eles produzem centenas de tipos de dispositivos ópticos e elétron-ópticos com esses detalhes. Guias de luz de núcleo único rígidos ou pré-curvados e feixes de fibras com um diâmetro de 15-50 mícrons são usados ​​em dispositivos médicos de luz fria para iluminar a nasofaringe, estômago, etc. Em tais dispositivos, a luz de uma lâmpada elétrica é coletada por um condensador na extremidade de entrada do guia ou feixe de luz e é alimentada através dele para a cavidade iluminada; isso permite que você remova uma lâmpada - uma fonte de calor. Guias de luz com um determinado entrelaçamento são aplicáveis ​​em filmagens de alta velocidade, para registro de trilhas de partículas nucleares, como conversores de varredura em fototelegrafia e tecnologia de medição de televisão, como conversores de código e como dispositivos de criptografia. Foram criadas fibras ativas (laser) que operam como amplificadores quânticos (veja amplificador quântico) e geradores quânticos (veja gerador quântico) de luz, projetados para computadores de alta velocidade e executando as funções de elementos lógicos (veja elemento lógico), células de memória (consulte Célula de memória), etc. Fibras fixadas em uma extremidade (como uma escova inclinada) - septrons - permitem analisar espectros de frequência de áudio, distinguir vozes de ruído de multidão, criar dispositivos que controlam máquinas a partir de sinais de voz, etc.
As peças de fibra são feitas de materiais extra puros. Dos fundidos de graus adequados de vidro, um guia de luz e uma fibra são extraídos. Um novo material óptico é proposto - uma fibra de cristal desenvolvida a partir de uma fusão. Nele, os guias de luz são cristais filamentosos e as camadas intermediárias são aditivos introduzidos no fundido.
Lit.: Kapani N.S., Fiber optics, trad. de English, M., 1969; Weinberg V. B. e Sattarov D. K., Óptica de guias de luz, M., 1969.
V.B. Weinberg.
0240942446.tif
Transmissão elemento a elemento de uma imagem por uma parte da fibra: 1 - imagem aplicada na extremidade côncava de entrada; 2 - núcleo condutor de luz; 3 - camada isolante; 4 - imagem em mosaico transferida para a saída final.

As fibras ópticas mostram um exemplo de como o conhecimento científico se traduz em progresso tecnológico, facilitando a vida das pessoas comuns. Por vários anos, a fibra óptica tem sido associada a meios de comunicação para transmissão de sinais elétricos. Fios finos do tamanho de um fio de cabelo humano podem ser usados ​​para transmitir os fios largos que são necessários para o funcionamento de um telefone, conexão à Internet, TV, etc. nas necessidades domésticas.

Tecnologia de transmissão de sinal de fibra óptica

Por si só, o uso da fibra óptica como tradutor de sinais é apenas parte do conhecimento divulgado que está sendo explorado na seção científica de fibra óptica. Especialistas nesta área estão estudando a transmissão de informações e a propagação da luz, e em um contexto, unidos por guias de luz. Estes últimos são usados ​​tanto como distribuidores de luz quanto como transmissores de informação. A propósito, as tendências modernas no desenvolvimento de tecnologias a laser são baseadas em LEDs. Nesse caso, outra questão é mais interessante - qual fenômeno é a base da fibra óptica? Esta é a radiação eletromagnética dentro das interfaces de dielétricos com diferentes índices de refração. Além disso, o portador de informação não é um sinal eletromagnético, mas um fluxo de luz codificado. Para entender o grau de superioridade dos cabos de fibra ótica sobre os cabos metálicos tradicionais, vale mais uma vez referir-se à sua largura de banda. O já mencionado fio de fibra, cuja espessura não é superior a 0,5 mm, é capaz de transmitir uma quantidade de informações que a fiação de cobre comum só servirá com uma espessura de 50 mm.

Métodos de fabricação de fibra

Existem dois métodos principais pelos quais a fibra óptica pode ser fabricada. É uma técnica de extrusão e fusão utilizando pré-formas. A primeira tecnologia permite obter material de baixa qualidade à base de plástico, por isso hoje praticamente não é usado. O segundo método é considerado o principal e mais eficaz. Uma pré-forma é uma pré-forma que está em uma estrutura projetada para desenhar roscas. Pelos padrões modernos, as pré-formas podem ter até várias dezenas de metros de altura. Externamente, esta é uma haste de vidro com um diâmetro de cerca de 10 cm, a partir da qual o núcleo do fio é derretido. Durante o processo de fabricação, o núcleo, juntamente com a mistura para as fibras, é aquecido a altas temperaturas, após o que os filamentos são formados. O comprimento do material resultante pode chegar a vários quilômetros, embora o diâmetro permaneça inalterado - é controlado por reguladores automatizados. Dependendo de onde a fibra óptica será utilizada, o material para ela pode ser pré-tratado com revestimentos que proporcionam proteção química e física. Quanto às misturas para os próprios fios, geralmente incluem materiais como poliimida, acrilato e silicone.

Características de design de fibra óptica

A parte central do fio é o núcleo - o próprio núcleo da fibra, que espalhará a luz durante a operação. O núcleo é caracterizado por índices de refração de luz aumentados, que são alcançados usando dopagem de vidro com modificação por aditivos especiais. Por exemplo, componentes refrativos típicos como um dopante são usados ​​para fibras de sílica. Por sua vez, o shell executa várias tarefas, sendo a principal a proteção física direta do núcleo. Esta parte também fornece o efeito de refração, mas com um coeficiente mínimo. A fronteira entre os dois materiais forma uma estrutura de guia de luz que não permite que a maior parte da luz escape do núcleo. Vale ressaltar também que os fundamentos da fibra ótica remetem o material a variedades de guias de luz. Para ser mais preciso, estamos falando de guias de onda dielétricos que transmitem sinais de luz.

Variedades de fibras ópticas

Os mais comuns são as fibras de quartzo, plástico e flúor. Os filamentos de quartzo são baseados em óxidos fundidos ou materiais semelhantes em estrutura, incluindo óxido de silício dopado. Esta base permite produzir fibras flexíveis e longas, que também se distinguem pela alta resistência mecânica. As fibras ópticas de plástico são feitas de polímeros e, como já mencionado, não podem fornecer alto desempenho. Em particular, tais threads têm uma alta porcentagem de perda de dados, o que limita seu uso em áreas exigentes. Por outro lado, a acessibilidade das fibras plásticas mantém a demanda por esse material nas direções voltadas para o segmento doméstico. Quanto aos materiais ópticos fluoretados, sua base é baseada em vidros de fluorozirconato e fluoroaluminato. São soluções bastante modernas e tecnológicas para fornecer comunicação óptica, mas o teor de metais pesados ​​na estrutura também não permite seu uso, por exemplo, na indústria médica.

Equipamento de medição de fibra óptica

Os equipamentos mais comuns utilizados em kits de fibra óptica são sensores e redes de Bragg. Sensores de fibra óptica são dispositivos projetados para capturar determinados valores que caracterizam o estado do material em um determinado momento. Por exemplo, diferentes sensores podem detectar estresse mecânico, temperatura, vibração, pressão e outras quantidades. A rede de Bragg em sua função está mais próxima das características ópticas. Ele corrige um distúrbio de refração aperiódica no núcleo da fibra. Essa medição permite determinar a eficiência da fibra óptica na transmissão de um sinal sob condições específicas. Além disso, os especialistas usam um refletômetro óptico, que registra os indicadores de dispersão e resistência.

Amplificadores de fibra óptica e lasers

Este é o produto mais avançado desenvolvido com base na tecnologia de fibra óptica. Ao contrário de outros tipos de lasers, o uso de filamentos ópticos permite criar dispositivos compactos e ao mesmo tempo eficientes. Em particular, a tecnologia de fibra óptica tornou possível substituir os dispositivos laser clássicos devido às seguintes vantagens:

• Eficiência de dissipação de calor.
• Aumento da radiação de saída.
• Bombeamento eficiente.
• Alta confiabilidade e estabilidade do laser.
• Pequena quantidade de equipamentos.

Por sua vez, amplificadores, dependendo do tipo, também podem ser utilizados em linhas de rede doméstica, aumentando o desempenho da linha de fibra principal. No entanto, vale a pena considerar o escopo da operação da fibra com mais detalhes.

Para que serve a fibra óptica?

Existem várias áreas em que os materiais de fibra óptica são usados. Esta é a esfera de uso doméstico, equipamentos de telecomunicações e equipamentos de informática, bem como nichos altamente especializados, incluindo certas áreas da medicina. Para cada um desses segmentos, são produzidas fibras ópticas especiais. A aplicação como meio típico de transmissão de um sinal de TV ou Internet, por exemplo, limita-se a modelos plásticos baratos de qualidade média. Mas para equipamentos a laser e dispositivos médicos caros, são usadas fibras de quartzo de alta qualidade, que também são fornecidas com modificadores adicionais.

O uso da fibra óptica na medicina

Tais fibras podem ser usadas em equipamentos e instrumentos médicos. A tecnologia padrão sugere a possibilidade de introduzir um dispositivo especial baseado em fibras de luz refratadas, que pode transmitir um sinal para uma câmera de televisão externa já no próprio órgão do corpo. A fibra óptica é usada na medicina e como material de iluminação. Dispositivos equipados com módulos de fibra permitem a iluminação indolor das cavidades do estômago, nasofaringe, etc.

Aplicação de fibra óptica em equipamentos de informática

Talvez este seja o nicho mais comum em que a fibra óptica encontrou seu lugar. Hoje, as linhas de comunicação entre dispositivos individuais que transmitem informações não podem mais ficar sem ela. Obviamente, isso se aplica às áreas em que é impossível ou impraticável usar conexões sem fio, que também estão substituindo ativamente os cabos como tal. Por exemplo, as maiores empresas de telecomunicações estão instalando redes de backbone inter-regionais que usam fibra ótica. A utilização de tais canais para comunicação entre equipamentos periféricos e consumidores comuns de serviços de telecomunicações permite otimizar os custos financeiros de manutenção da infraestrutura de rede, além de aumentar a eficiência da própria transmissão de dados.

Desvantagens da fibra

Infelizmente, os fios ópticos não estão isentos de pontos fracos. Embora a manutenção dessa fiação seja mais barata, sem contar a ausência da necessidade de atualizações frequentes, o custo do material em si é muito maior do que as mesmas contrapartes metálicas. Além disso, a fibra óptica e seu uso na medicina são extremamente limitados devido ao teor de impurezas de chumbo e zircônio em algumas ligas, que são tóxicas para os seres humanos. Isso se aplica principalmente aos modelos de vidro da mais alta qualidade, e não aos de plástico.

Produção de fibra óptica na Rússia

No âmbito do programa de substituição de importações, em 2015, foi inaugurada a fábrica de Sistemas de Fibra Óptica na Mordóvia. Esta é a única empresa na Federação Russa, que atualmente está tentando atender às necessidades dos consumidores domésticos em fibra óptica na medida do possível. Até 2015, a indústria russa também estava envolvida na fabricação de materiais de fibra óptica, mas apenas no âmbito de projetos específicos. A mesma situação persiste até certo ponto hoje. Se uma determinada empresa precisar de fibra óptica e seu uso na medicina ou no campo das telecomunicações for justificado financeiramente, existem muitas fábricas que estão prontas para trabalhar em tais pedidos especiais individualmente. No entanto, em um futuro próximo, apenas a fábrica da Mordovia produzirá a produção em série dos mesmos cabos de fibra óptica. Além disso, ainda não é capaz de abastecer o mercado de acordo com o volume de demanda. Uma proporção significativa de produtos ainda é comprada nos EUA e no Japão. E até os produtos nacionais são produzidos com matérias-primas importadas.

Conclusão

Os produtos de fibra óptica vêm se formando como um segmento de mercado há cerca de 15 a 20 anos. Ao longo dos anos, o consumidor pôde apreciar os méritos dos novos cabos, mas o progresso não fica parado. Com o aprimoramento das qualidades técnicas e físicas, as áreas de aplicação do material também estão se expandindo. A mais recente fibra baseada em nanotecnologia, em particular, é usada ativamente na indústria de petróleo e gás e na indústria de defesa. Por sua vez, a fibra óptica não linear está atualmente desenvolvendo apenas áreas conceituais, mas muito promissoras da tecnologia. Entre eles estão pulsos de laser de compressão, solitons ópticos, radiação óptica ultracurta, etc. Obviamente, além de estudos teóricos com possíveis descobertas e no âmbito do conhecimento puramente científico, novos desenvolvimentos também permitirão fazer novas ofertas a consumidores de diferentes níveis do mercado.

O conteúdo do artigo

FIBRA ÓTICA, tecnologia de transmissão de luz através de finos fios de materiais transparentes. Esta luz é usada para transmitir sinais eletrônicos a longas distâncias. Em uma casa ou escritório, um único fio de fibra da espessura de um cabelo humano pode transportar todos os sinais necessários para operar televisores, telefones e computadores. Esses filamentos, também chamados de fibras ópticas ou guias de luz, geralmente são feitos de vidro ou plástico.

Fontes de luz para linhas de comunicação de fibra óptica (FOCL) são lasers e diodos emissores de luz. Ligar e desligar a luz codifica bits (ou seja, uns e zeros, respectivamente) de informações digitais. Os repetidores mantêm a força do sinal ao longo do caminho, enquanto os receptores o detectam e decodificam na outra extremidade da linha.

Uma fibra óptica consiste em um núcleo transmissor de luz e um revestimento que impede a dispersão da luz. As fibras são montadas em um cabo, que pode conter de 72 a 144 fibras. As primeiras fibras ópticas eram multimodo, ou seja, várias ondas de luz poderiam passar por eles ao mesmo tempo. As fibras multimodo exigiam um arranjo bastante frequente de repetidores para compensar a absorção e dispersão dos raios de luz em seu caminho em ziguezague ao longo da haste. A fibra monomodo de tecnologia mais recente tem um diâmetro de núcleo tão pequeno que pode endireitar o caminho de um feixe individual e reduzir bastante a perda de sinal. Os cabos de fibra monomodo são capazes de transmitir até 1,2 bilhão de bits de dados por segundo, com distâncias de até 50 km entre repetidores.

Aplicações da fibra óptica.

As fibras ópticas são usadas em instrumentos médicos. Introduzidos no corpo do paciente, eles transmitem a imagem de um órgão ou área afetada para uma câmera de televisão externa, eliminando assim a necessidade de pesquisas por métodos cirúrgicos. Nos carros, servem para fornecer luz de uma fonte comum a vários painéis. As fibras ópticas ligam computadores, robôs, televisores e telefones em muitas fábricas e instituições.

No entanto, essas fibras não são completamente transparentes para atender aos requisitos do FOCL. Em tal cabo, a luz deve percorrer longas distâncias sem qualquer interferência. Rachaduras, contaminantes ou bolhas na fibra fazem com que o feixe fino seja absorvido ou refletido. Já foi possível reduzir as perdas de transmissão em fibras para menos de 10% por quilômetro.

As fibras ópticas usadas para telecomunicações devem ser emendadas para minimizar as costuras. Os geradores de luz devem ser conectados às extremidades da fibra com altíssima precisão. Para isso, foram desenvolvidos lasers e LEDs que não são maiores que um grão de sal de cozinha. Cabos de fibra óptica para serviços telefônicos de longa distância operam nos EUA, Japão, Europa Ocidental. Uma rede de cabos de fibra transoceânica ligando a América do Norte com a Europa e a Ásia está em operação desde 1990. Veja também

Esquemas ópticos de dispositivos de fibra óptica

Circuitos ópticos de um laser de fibra óptica e amplificador

Laser

A Figura 1 mostra o esquema mais simples de um laser de fibra óptica. As letras indicam: A - fibra ativa, D - diodo de bomba, M1 e M2 - espelhos. Como no caso dos lasers convencionais, aqui temos um ressonador com meio ativo, formado por uma fibra ativa e espelhos. Os espelhos fornecem feedback. Um dos espelhos pode ter 100% de reflexão. Então a radiação sairá apenas da extremidade oposta do ressonador. Pode haver vários diodos de bomba e eles podem estar localizados em diferentes lados do ressonador.

Amplificador

A Figura 2 mostra o circuito mais simples de um amplificador de fibra óptica. É semelhante ao circuito do laser, com a única exceção de que os espelhos são substituídos por isoladores para suprimir o feedback. Os isolantes permitem que a luz passe em apenas uma direção.

O dispositivo de componentes de fibra óptica

Espelhos e filtros

Fundação Wikimedia. 2010.

• Sten
• Festival Internacional de Jovens e Estudantes

Veja o que é "Fibra Óptica" em outros dicionários:

fibra ótica- Ramo da óptica, que considera a transmissão direcional de radiação e informações relacionadas nas fibras ópticas. [GOST 25462 82] fibra óptica Uma tecnologia para transmissão de sinais na forma de pulsos de luz. Cabo de fibra óptica… … Manual do Tradutor Técnico

fibra ótica- Fibra ótica. Transmissão de imagem elemento a elemento por parte da fibra: 1 imagem de entrada; 2 fios guia de luz; 3 camada isolante; 4 saída de imagem em mosaico. FIBRA ÓPTICA, um ramo da óptica que estuda ... ... Dicionário Enciclopédico Ilustrado

FIBRA ÓTICA- uma seção de óptica, na qual é considerada a transmissão de luz e imagens através de fibras ópticas e guias de ondas. gama, em particular para guias de luz multi-núcleo e feixes de fibras flexíveis. V. o. surgiu na década de 1950. século 20 Em fibra óptica detalhes de luz ... ... Enciclopédia Física

FIBRA ÓTICA- FIBRA ÓPTICA, ramo da óptica que estuda a propagação da luz e das imagens através de guias de luz, nomeadamente através de guias de luz multifilamento e feixes de fibras flexíveis. Originou-se na década de 1950. Como as fibras ópticas absorvem fracamente ... ... Enciclopédia Moderna

FIBRA ÓTICA- ramo da óptica que estuda a propagação da luz e a transmissão da informação através de guias de luz. Os métodos de fibra óptica são usados ​​em comunicações ópticas, em dispositivos médicos (iluminação da nasofaringe, estômago, etc.), em filmagens de alta velocidade, em ... ... Grande Dicionário Enciclopédico

FIBRA ÓTICA- FIBRA ÓPTICA, um ramo da óptica que lida com a transmissão de dados e imagens usando fibras de vidro ópticas finas capazes de transmitir luz ... Dicionário enciclopédico científico e técnico

FIBRA ÓTICA- uma seção de óptica que trata da transmissão prática de (ver), (ver) e outras informações sobre guias de luz (guia de luz) e (ver) o alcance óptico ... Grande Enciclopédia Politécnica

FIBRA ÓTICA- tecnologia de transmissão de luz através de finos fios de materiais transparentes. Esta luz é usada para transmitir sinais eletrônicos a longas distâncias. Em casa ou em uma instituição, um único feixe de fibras tão grosso quanto um cabelo humano pode ... ... Enciclopédia Collier

FIBRA ÓTICA- 4,48. FIBRA ÓPTICA Ramo de óptica que lida com transmissão direcional de radiação e informações relacionadas em fibras ópticas GOST 25462

Ministério da Educação e Ciência da Ucrânia

Universidade Nacional de Dnepropetrovsk

em homenagem a Oles Gonchar

Centro de Correspondência e Educação a Distância

Especialidade "Biologia"

Tarefa individual

em física

sobre o tema:

"Fibra óptica e suas aplicações"

Realizado por: estudante

grupos 09-1h (1 stream)

Litvinenko Alexandra

Verificado por: Professora Associada Elina O.V.

Dnepropetrovsk

Introdução

Linhas de comunicação de fibra óptica como um conceito

Características físicas

Características técnicas

A tecnologia de fibra tem suas desvantagens

Fibra óptica e seus tipos

cabo de fibra ótica

Aplicações e classificação de cabos de fibra óptica (FOC)

Componentes eletrônicos de sistemas de comunicação óptica

Transmissão de módulos optoeletrônicos

Diodos emissores de luz

Diodos de laser

Fibra ótica

Dispersão e rendimento

Conclusão

Bibliografia

Introdução

Um pouco se passou desde o início do desenvolvimento da tecnologia da computação - sessenta anos. Durante este tempo, recebemos tais velocidades computacionais, tais taxas de transferência de dados que sessenta anos atrás nem poderiam ser sonhadas. Tudo começou com a publicação em 1948 dos livros “Teoria Matemática da Comunicação” de K. Shannon e “Cybernetics, or Control and Communication in Animal and Machine” de N. Wiener. Eles determinaram um novo vetor para o desenvolvimento da ciência, como resultado do qual surgiu um computador: primeiro um gigante da lâmpada, depois um transistor e em circuitos integrados, em microprocessadores. E em 1989, surgiu o computador pessoal da IBM. No mesmo ano, o programa MS - DOS foi lançado e, em 1990 - Windows-3.0, e então a rápida melhoria de hardware e software continuou. No final do século, a humanidade recebeu uma incrível miniaturização da tecnologia de computadores, uma redução na distância entre um computador e uma pessoa, a penetração total da tecnologia de computadores na esfera doméstica. 1986 - o nascimento da Internet, uma rede global que cobria quase todos os países do mundo, fornecendo a cada usuário informações atuais. Tendo recebido um processamento de dados tão rápido, as pessoas chegaram à conclusão de que podem parar de perder tempo e dinheiro na transferência desses dados, além de aumentar a velocidade de acesso e a velocidade de transferência de dados. Isso se tornou possível graças ao uso de novos tipos de comunicação, como a fibra óptica, que veio substituir os banais fios de alumínio e cobre.

A história do desenvolvimento de linhas de comunicação de fibra óptica começou em 1965-1967

g, linhas de comunicação por guia de ondas para transmissão de informações em banda larga, bem como linhas de cabos supercondutores criogênicos com baixa atenuação.

Desde 1970, o trabalho tem sido desenvolvido ativamente na criação de guias de luz e cabos ópticos usando radiação infravermelha visível na faixa de comprimento de onda óptico.

O tema de uma linha de comunicação de fibra óptica é relevante neste momento, pois o número de pessoas no planeta está crescendo e a necessidade de melhorar a vida também está aumentando. Desde os tempos antigos, uma pessoa vem melhorando: aprimorando seus conhecimentos, lutando para melhorar a vida criando e modelando utensílios domésticos. E agora muitas empresas criam televisores, telefones, gravadores, computadores e muito mais, ou seja, eletrodomésticos que simplificam a vida de uma pessoa. Mas para a introdução dessas novas tecnologias, você precisa mudar ou melhorar as antigas. Um exemplo disso são nossas linhas de comunicação em um cabo coaxial (cobre), que já foram mencionados acima. Sua velocidade é baixa, mesmo para a transmissão de informações de vídeo. E fibra óptica é exatamente o que precisamos - sua taxa de transferência de informações é muito alta. Além disso, as baixas perdas durante a transmissão do sinal possibilitam a colocação de seções de cabos longas sem a instalação de equipamentos adicionais. A fibra óptica possui boa imunidade a ruídos, facilidade de instalação e longa vida útil do cabo em praticamente qualquer ambiente. E, além disso, não faz sentido roubar fibra óptica para descartá-la. Atualmente, a fibra óptica encontra sua aplicação principalmente em comunicações de tele e Internet. Mas acredita-se que o uso atual da fibra seja apenas a ponta do iceberg de sua aplicação.

Linhas de comunicação de fibra óptica como um conceito

A fibra óptica é um campo relativamente jovem da ciência e tecnologia, e sua definição não pode ser considerada estabelecida. No entanto, vamos tentar dá-lo.

A fibra óptica é um ramo da óptica que trata da transmissão de luz e imagens através de guias de luz e guias de onda da faixa óptica, em particular através de guias de luz multi-core e feixes de fibras flexíveis.

As linhas de comunicação de fibra óptica são um tipo de comunicação em que a informação é transmitida através de guias de onda dielétricos ópticos. , conhecido como "fibra óptica".

A fibra óptica é atualmente considerada o meio físico mais avançado para transmissão de informações, bem como o meio mais promissor para a transmissão de grandes fluxos de informações a longas distâncias. Por exemplo, atualmente, cabos de fibra ótica são colocados ao longo do fundo dos oceanos Pacífico e Atlântico e quase todo o mundo está "emaranhado" em uma rede de sistemas de comunicação de fibra (Laser Mag.-1993.-No. 3; Laser Focus World.-1992.-28, No. 12; Telecom. mag.-1993.-No. 25; AEU: J. Asia Electron. Union.-1992.-No. 5). Os países europeus do outro lado do Atlântico estão conectados por linhas de fibra à América. EUA, passando pelas ilhas havaianas e pela ilha de Guam - com o Japão, Nova Zelândia e Austrália. Uma linha de comunicação de fibra óptica conecta o Japão e a Coréia ao Extremo Oriente russo. No oeste, a Rússia está conectada com os países europeus de São Petersburgo - Kingisepp - Dinamarca e São Petersburgo - Vyborg - Finlândia, no sul - com os países asiáticos Novorossiysk - Turquia. Na Europa, assim como na América, eles têm sido amplamente utilizados em quase todas as áreas de comunicações, energia, transporte, ciência, educação, medicina, economia, defesa, atividades políticas e financeiras. Assim, a razão para considerar a fibra como o meio mais promissor para a transmissão de grandes fluxos de informação decorre de uma série de características inerentes aos guias de onda ópticos.

Características físicas

Sinais ópticos de banda larga devido à frequência portadora extremamente alta. Isso significa que as informações podem ser transmitidas por uma linha de comunicação óptica a uma taxa de cerca de 1 Terabit/s.

Em outras palavras, 10 milhões de conversas telefônicas e um milhão de sinais de vídeo podem ser transmitidos simultaneamente em uma única fibra. A taxa de transferência de dados pode ser aumentada transmitindo informações em duas direções ao mesmo tempo, uma vez que as ondas de luz podem se propagar em uma fibra independentemente uma da outra. Além disso, sinais de luz de duas polarizações diferentes podem se propagar na fibra óptica, o que possibilita dobrar o throughput do canal de comunicação óptica. Até o momento, o limite de densidade de informações transmitidas por fibra óptica não foi atingido. E isso significa que até agora, com uma carga tão pesada em nossa Internet, não houve tanta informação que, se transmitida simultaneamente, levaria a uma diminuição na velocidade do fluxo de dados transmitido.

Atenuação muito baixa (em comparação com outros meios) do sinal de luz na fibra. Em outras palavras, perda de sinal devido à resistência do material condutor. As melhores amostras de fibra russa têm uma atenuação tão baixa que permite construir linhas de comunicação de até 100 km de comprimento sem regeneração de sinal. Laboratórios ópticos nos Estados Unidos estão desenvolvendo ainda mais "transparentes", as chamadas fibras de fluorozirconato. Estudos de laboratório mostraram que tais fibras podem ser usadas para criar linhas de comunicação com locais de regeneração acima de 4600 km a uma taxa de transmissão de cerca de 1 Gbit/s.

Características técnicas

A fibra óptica é um guia de ondas dielétrico feito de vidro de quartzo. Possui um núcleo guia de luz com índice de refração de luz n1 cercado por um revestimento com índice de refração n2, com n1>n2. Entrando no núcleo condutor de luz, a luz se propaga nele devido ao efeito da reflexão interna total. Este efeito ocorre quando um feixe de luz incide na interface entre dois meios de um meio com alto índice de refração n1 para um meio com menor índice n2, e é observado apenas até certos valores do ângulo, o valor de que é determinado pelas diferenças em n1 e n2. Normalmente, a luz é injetada na fibra através da extremidade. O valor limite do ângulo de incidência de um feixe de luz na extremidade da fibra está relacionado ao ângulo crítico pela relação sin am = n1 cos qcr = (n12 - n22)1/2 = (2n Dn)1/2 , onde n = (n1 + n2)/2, e Dn = n1 - n2. O valor NA = sin am = (2n Dn)1/2 é chamado de abertura numérica da fibra óptica e determina a capacidade da fibra óptica de coletar e transmitir luz. Um feixe de luz introduzido na fibra em um ângulo menor que m se propagará ao longo de todo o comprimento da fibra. Tal feixe é chamado de modo guiado ou simplesmente modo.

Ao selecionar componentes para sistemas de fibra óptica, são levados em consideração 2 parâmetros de fibra que afetam a eficiência da transmissão: largura de banda e atenuação.

A largura de banda é um parâmetro da largura de banda da fibra. Quanto maior a largura de banda, maior a capacidade de informação. A largura de banda é caracterizada pela relação: frequência/distância (MHz/km). Por exemplo, uma fibra de 200 MHz/km é capaz de transmitir dados na largura de banda de 200 MHz até 1 km e na largura de banda de 100 MHz até 2 km.

Atenuação. Além das mudanças físicas nos pulsos de luz devido à limitação da largura de banda, há também uma redução nos níveis de potência óptica à medida que os pulsos percorrem a fibra. Esse tipo de perda ou atenuação de potência óptica é medida em decibéis por quilômetro (dB/km) em um comprimento de onda especificado.

Perda de fibra

A radiação utilizada em sistemas de fibra óptica está na parte infravermelha do espectro óptico, na qual a atenuação da luz que passa por uma fibra é altamente dependente do comprimento de onda. Portanto, a atenuação ou perda de potência deve ser medida para comprimentos de onda especificados para cada tipo de fibra (consulte a Figura 3). O comprimento de onda é medido em nanômetros (nm) - um bilionésimo de metro - e representa a distância entre dois ciclos de uma mesma onda. A quantidade de energia óptica perdida devido à absorção e dispersão da radiação em um determinado comprimento de onda é expressa como o fator de atenuação em decibéis por quilômetro (dB/km).

A perda de potência óptica em diferentes comprimentos de onda ocorre na fibra devido à absorção e espalhamento. O modo ideal de operação da fibra é alcançado em ondas de um determinado comprimento. Por exemplo, uma perda de menos de 1 dB/km é típica para uma fibra do tipo multipercurso de 50/125 mm operando a 1300 nm, e menos de 3 dB/km é típica para o mesmo tipo de fibra operando a 850 nm.

Essas duas faixas de comprimento de onda, 850 e 1300 nm, são as mais comuns e mais comumente usadas hoje para transmissão de sinal por cabos de fibra de vidro. Para esses comprimentos de onda, transmissores e receptores são produzidos pela indústria hoje. A melhor qualidade tem fibra de vidro, operando em modo de feixe único no comprimento de onda de 1550 nm.

Perda de microflexão

Sem a devida proteção, a fibra óptica está sujeita a perdas ópticas causadas por microcurvas. Microbends são deflexões temporárias de fibra causadas por cargas transversais que causam perda de potência óptica no núcleo. Para minimizar o efeito das microcurvas, são utilizados diferentes métodos de proteção da fibra. Ao contrário das fibras do tipo degrau, as fibras do tipo step-core são relativamente resistentes à perda por microflexão.

Proteção de fibra primária

Uma fibra óptica é um guia de luz muito fino. Influências externas levam ao aparecimento de microziguezagues e, consequentemente, a perdas adicionais. Para isolar a fibra de forças externas, duas camadas de proteção adicionais são usadas - um buffer livre e um buffer denso. O buffer solto é projetado de tal forma que a fibra fica contida em um tubo plástico com diâmetro interno muito maior que a própria fibra. Como regra, o interior do tubo de plástico é preenchido com gel. O buffer solto isola a fibra de danos mecânicos externos que afetam o cabo. Um cabo multifibra normalmente consiste em vários desses tubos, cada um contendo uma ou mais fibras, mantidos juntos por componentes de ancoragem para proteger as fibras da pressão externa e minimizar o estiramento.

Outra maneira de proteger a fibra é o buffer apertado, que usa compressão direta do plástico sobre a camada de base da fibra. O design de buffer denso permite que forças de impacto e pressão muito mais altas sejam resistidas e não resulta em quebra de fibra. Embora um buffer apertado seja mais flexível do que um buffer solto, a perda óptica causada por dobras e torções severas devido à microflexão pode exceder a especificação nominal. Um design de buffer apertado aprimorado é um cabo reforçado, o chamado cabo breakout. No cabo breakout, a fibra densamente tamponada é cercada por um fio de aramida e um revestimento, como o PVC. Os elementos de fibra simples são então revestidos de forma simples para formar um cabo de separação. As vantagens deste design "cabo em cabo" fornecem conexão e instalação simplificadas.

Cada um dos projetos apresentados tem suas próprias vantagens. O tubo de amortecimento livre dá ao cabo uma atenuação de microcurvatura mais baixa do que qualquer outro tipo de fibra, bem como um alto nível de isolamento das influências ambientais.

Sob a influência de cargas mecânicas de longo prazo, o tubo livre fornece parâmetros de transmissão mais estáveis. A construção do amortecedor denso é simples e é um cabo flexível e resistente a rupturas.

Escolha de parâmetros físicos

Ao usar um buffer solto ou apertado, o projetista do sistema pode escolher entre perda de microflexão e flexibilidade do cabo.

Para a instalação de cabos, propriedades mecânicas como resistência à tração, resistência ao impacto e flexibilidade são de grande importância. Os requisitos para as condições climáticas são resistência à umidade, produtos químicos e uma série de outras condições atmosféricas e externas.

Proteção mecânica

A tensão padrão do cabo durante a instalação pode eventualmente estressar a fibra. O estresse pode causar perdas por microflexão, o que, por sua vez, leva a um aumento no fator de amortecimento. Para redistribuir as tensões de carga, simplificar a instalação e aumentar a vida útil, vários tipos de elementos internos de reforço são adicionados ao design do cabo óptico. Tais elementos fornecem as tensões de carregamento inerentes ao cabo eletrônico e liberam a fibra da pressão, minimizando o efeito de puxar e comprimir o cabo. Em alguns casos, tais elementos atuam como isolantes térmicos.

Reforçadores comumente usados ​​em cabos de fibra óptica incluem fio de aramida, núcleo de fibra de vidro epóxi (FGE) e fio de aço. Enrolado redondo a redondo, o fio de aramida é 5 vezes mais forte que o aço. Juntamente com o núcleo epóxi de fibra de vidro, o fio é um componente indispensável na criação de um dielétrico.

Para aplicações de temperatura extremamente baixa, o aço e o FGE são escolhidos porque esses materiais são mais resistentes às flutuações de temperatura.

Principais blocos de construção de fibra óptica

A estrutura de uma fibra óptica

Haste: A área onde a luz passa através de uma fibra (vidro ou plástico). Quanto maior o diâmetro da haste, maior o feixe de radiação de luz transmitido através da fibra.

Revestimento: Fornece um índice de refração suficientemente baixo na superfície da haste para causar um efeito de reflexão interna total no núcleo para transmitir ondas de luz através da fibra.

Revestimento: é uma bainha plástica multicamada projetada para proteger a fibra de impactos e outras influências externas. Tais revestimentos tampão têm uma espessura de 250 a 900 µm.

Diâmetro da fibra

As dimensões da fibra de vidro são geralmente caracterizadas pelo diâmetro externo do núcleo, revestimento e revestimento. Por exemplo: 50/125/250 indica que a fibra tem um diâmetro de núcleo de 50 mícrons, um revestimento de 125 mícrons e um revestimento de 250 mícrons. Para comparação, uma folha de papel tem aproximadamente 25 mícrons de espessura. Ao conectar ou emendar fibras, o revestimento é sempre removido.

Vantagens do FOCL

A transmissão de informações por FOCL tem várias vantagens em relação à transmissão por um cabo de cobre. A rápida introdução do FO nas redes de informação é consequência das vantagens decorrentes das características de propagação do sinal em fibra óptica.

Largura de banda larga- devido à frequência portadora extremamente alta de 1014 Hz. Isso possibilita a transmissão de um fluxo de dados de vários terabits por segundo em uma única fibra óptica. A alta largura de banda é uma das vantagens mais importantes da fibra óptica sobre o cobre ou qualquer outro meio de transmissão.

Baixa atenuação do sinal de luz na fibra. A fibra óptica industrial atualmente produzida por fabricantes nacionais e estrangeiros tem uma atenuação de 0,2-0,3 dB em um comprimento de onda de 1,55 mícrons por quilômetro. A baixa atenuação e a baixa dispersão possibilitam a construção de trechos de linhas sem retransmissão de até 100 km ou mais de comprimento.

Baixo nível de ruído no cabo de fibra óptica permite aumentar a largura de banda transmitindo várias modulações de sinal com baixa redundância de código.

Alta imunidade a ruídos. Como a fibra é feita de um material dielétrico, ela é imune a interferências eletromagnéticas de sistemas de cabeamento de cobre circundantes e equipamentos elétricos capazes de induzir radiação eletromagnética (linhas de energia, instalações de motores, etc.). Os cabos multifibras também evitam o problema de diafonia eletromagnética que os cabos de cobre multipar têm.

Pequeno peso e volume. Os cabos de fibra óptica (FOCs) são mais leves e leves que os cabos de cobre para a mesma largura de banda. Por exemplo, um cabo telefônico de 900 pares com um diâmetro de 7,5 cm pode ser substituído por uma fibra com um diâmetro de 0,1 cm. uma fibra será de 1,5 cm, várias vezes menor que o cabo telefônico considerado.

Alta segurança contra acesso não autorizado. Como o FOC praticamente não irradia na faixa de rádio, é difícil escutar as informações transmitidas por ele sem atrapalhar a recepção e a transmissão. Sistemas de monitoramento (controle contínuo) da integridade da linha de comunicação óptica, utilizando as propriedades de alta sensibilidade da fibra, podem desligar instantaneamente o canal de comunicação "hackeado" e dar um alarme. Sistemas de sensores que usam os efeitos de interferência de sinais de luz propagados (ao longo de diferentes fibras e diferentes polarizações) têm uma sensibilidade muito alta a flutuações, a pequenas quedas de pressão. Esses sistemas são especialmente necessários ao criar linhas de comunicação no governo, bancos e alguns outros serviços especiais que exigem muita proteção de dados.

Isolamento galvânico de elementos de rede. Esta vantagem da fibra óptica reside na sua propriedade isolante. A fibra ajuda a evitar loops de aterramento elétrico que podem ocorrer quando dois dispositivos de rede de computadores não isolados conectados por cabo de cobre têm aterramento em diferentes pontos de um prédio, como em andares diferentes. Nesse caso, pode ocorrer uma grande diferença de potencial, o que pode danificar os equipamentos da rede. Para fibra, esse problema simplesmente não existe.

Explosão e segurança contra incêndio. Devido à ausência de faíscas, a fibra óptica aumenta a segurança da rede em refinarias químicas, de petróleo e ao atender processos tecnológicos de alto risco.

WOK Econômico. A fibra é feita de sílica, que é baseada em dióxido de silício, um material difundido e, portanto, barato, ao contrário do cobre. Atualmente, o custo da fibra em relação a um par de cobre está correlacionado em 2:5. Ao mesmo tempo, o FOC possibilita a transmissão de sinais em distâncias muito maiores sem retransmissão. O número de repetidores em linhas estendidas é reduzido ao usar FOC. Ao usar sistemas de transmissão soliton, distâncias de 4000 km sem regeneração (ou seja, usando apenas amplificadores ópticos em nós intermediários) foram alcançadas a uma taxa de transmissão acima de 10 Gbps.

Longa vida útil. Com o tempo, a fibra irá se degradar. Isso significa que a atenuação no cabo instalado aumenta gradualmente. No entanto, devido ao aprimoramento das tecnologias modernas para a produção de fibras ópticas, esse processo é significativamente retardado e a vida útil do FOC é de aproximadamente 25 anos. Durante esse período, várias gerações/padrões de sistemas de transceptores podem mudar.

Fonte de alimentação remota. Em alguns casos, é necessária a alimentação remota do nó da rede de informações. A fibra óptica não é capaz de realizar as funções de um cabo de alimentação. No entanto, nestes casos, pode ser utilizado um cabo misto, quando, juntamente com fibras ópticas, o cabo estiver equipado com um elemento condutor de cobre. Esse cabo é amplamente utilizado na Rússia e no exterior.

A tecnologia de fibra tem suas desvantagens

Ao criar uma linha de comunicação, são necessários elementos ativos altamente confiáveis ​​que convertem sinais elétricos em luz e luz em sinais elétricos. Conectores ópticos (conectores) também são necessários com baixas perdas ópticas e um grande recurso de conexão-desconexão.

A precisão de fabricação de tais elementos de linha deve corresponder ao comprimento de onda da radiação, ou seja, os erros devem ser da ordem de uma fração de um mícron. Portanto, a produção de tais componentes de link óptico é muito cara.

Outra desvantagem é que a instalação de fibras ópticas requer equipamentos tecnológicos caros:

a) ferramentas de acabamento;

b) conectores;

c) testadores;

d) embreagens e cassetes de especiarias.

Como resultado, em caso de acidente (ruptura) de um cabo óptico, o custo de restauração é maior do que quando se trabalha com cabos de cobre.

Fibra óptica e seus tipos

A indústria de muitos países dominou a produção de uma ampla gama de produtos e componentes de fibra. Deve-se notar que a produção de componentes se distingue por um alto grau de concentração.

A maioria das empresas está concentrada nos EUA. Com grandes patentes, as empresas americanas (principalmente a CORNING GLASS) influenciam os mercados de fabricação e componentes em todo o mundo por meio de acordos de licenciamento e joint ventures com outras empresas.

Dois tipos de fibra são usados ​​para transmissão de sinal: monomodo SMF (fibra monomodo) e multimodo MMF (fibra multimodo). As fibras receberam esse nome pela forma como a radiação se propaga nelas. A fibra consiste em um núcleo e um revestimento com diferentes índices de refração. Em uma fibra monomodo, o diâmetro do núcleo guia de luz é de cerca de 8-10 mícrons, ou seja, é comparável ao comprimento de onda da luz. Com esta geometria, apenas um feixe (um modo, como é chamado) pode se propagar na fibra.

fibras monomodo são divididas em fibras monomodo escalonadas (fibra monomodo com índice degrau) ou fibras padrão SF (fibra padrão), fibras com uma dispersão deslocada DSF (fibra monomodo deslocada por dispersão) e fibras com uma dispersão deslocada diferente de zero NZDSF ( fibra monomodo com dispersão diferente de zero).

fibra monomodo

De acordo com as leis da física, com um diâmetro de fibra suficientemente pequeno e um comprimento de onda apropriado, um único feixe se propagará através da fibra. Em geral, o próprio fato de o diâmetro do núcleo ser selecionado para o modo de propagação de sinal monomodo indica a particularidade de cada variante individual do projeto da fibra. Aqueles. ao utilizar os conceitos de multimodo e monomodo, deve-se entender as características da fibra em relação à frequência específica da onda utilizada. A propagação de apenas um feixe permite eliminar a dispersão intermodo. Como já observado, é essa dispersão que tem o maior impacto na taxa de transferência do canal. Os valores do material e da dispersão de interfrequência são ordens de grandeza menores que o intermodo. No entanto, uma fibra monomodo elimina a possibilidade de propagação de vários feixes, portanto não há dispersão intermodo e, portanto, as fibras monomodo são ordens de grandeza mais produtivas. No momento, é usado um núcleo com um diâmetro externo de cerca de 8 mícrons. Tal como acontece com as fibras multimodo, as distribuições de densidade de material em degraus e gradientes são usadas. A segunda opção é mais eficiente. A tecnologia monomodo é mais fina, mais cara e atualmente é usada em telecomunicações, enquanto os cabos multimodo conquistaram seu nicho nas redes de computadores locais.

Fibra escalonada multimodo

A principal diferença entre as opções de fibra óptica são as propriedades do núcleo utilizado nelas. A opção de núcleo mais simples é o vidro de quartzo com densidade uniforme. Se você exibir a densidade de distribuição das camadas de fibra, obterá um padrão escalonado, que é exibido no nome desse tipo de fibra. Para um raio suficientemente grande de uma fibra uniformemente densa, o efeito da dispersão intermodo é observado. Sua influência no desempenho do canal óptico é muito maior do que a de interfrequência e material. Portanto, ao calcular a taxa de transferência do canal, são seus indicadores que são usados. Três diâmetros de núcleo padrão para fibra multimodo são usados ​​atualmente: 100 mícrons, 62,5 mícrons e 50 mícrons. Os guias de luz mais comuns têm 62,5 mícrons de diâmetro, mas aos poucos o núcleo de 50 mícrons está ganhando posições cada vez mais fortes. Devido às simples leis geométricas de propagação da luz, é fácil ver seu maior rendimento, pois transmite menos modos, reduzindo assim a dispersão do pulso de saída. O tamanho dos guias de luz não foi escolhido por acaso. Está diretamente relacionado com a frequência da onda de luz utilizada. No momento, existem três comprimentos de onda principais: 850 nm, 1300 nm e 1500 nm. Por que esses comprimentos de onda foram escolhidos, explicaremos mais tarde. As fibras escalonadas multimodo têm uma largura de banda baixa em relação às possibilidades reais de luz; portanto, as fibras gradientes são mais usadas na tecnologia multimodo.

Fibra de gradiente multimodo

O nome da fibra fala por si. A principal diferença entre uma fibra graduada e uma fibra escalonada é a densidade irregular do material guia de luz. Se você exibir a distribuição de densidade em um gráfico, obterá uma imagem parabólica. O efeito de dispersão intermodo, como no caso de um esquema escalonado, ainda se manifesta, mas muito menos. Isso é facilmente explicado em termos de geometria. A figura mostra que os comprimentos do caminho dos raios são bastante reduzidos devido à suavização. Além disso, é interessante que os raios passem mais distantes do eixo do guia de luz, embora superem grandes distâncias, mas ao mesmo tempo tenham altas velocidades, pois a densidade do material diminui do centro para o raio externo. Uma onda de luz se propaga mais rápido, quanto menor a densidade do meio. Como resultado, trajetórias mais longas são compensadas por velocidades mais altas. Com uma distribuição de densidade de vidro bem equilibrada, é possível minimizar a diferença no tempo de propagação, devido ao qual a dispersão intermodo da fibra graduada é muito menor. Tal como acontece com a fibra escalonada, existem atualmente três diâmetros de núcleo graduados padrão em uso: 100 mícrons, 62,5 mícrons e 50 mícrons, também operando a 850 nm, 1300 nm e 1500 nm. No entanto, não importa quão equilibradas sejam as fibras multimodo de gradiente, seu rendimento não pode ser comparado com as tecnologias monomodo.

cabo de fibra ótica

O segundo componente mais importante que determina a confiabilidade e durabilidade é o cabo de fibra óptica (FOC). Hoje, existem várias dezenas de empresas no mundo que produzem cabos ópticos para diversos fins. As mais famosas são: AT&T, General Cable Company (EUA); Siecor (Alemanha); Cabo BICC (Reino Unido); Les cabos de Leão (França); Nokia (Finlândia); NTT, Sumitomo (Japão), Pirelli (Itália).

Os parâmetros determinantes na produção de cabos de fibra óptica são as condições de operação e a largura de banda da linha de comunicação. De acordo com as condições de operação, os cabos são divididos em:

Montagem

Estação

Zonal

Porta-malas.

Os dois primeiros tipos de cabos destinam-se à colocação no interior de edifícios e estruturas. Eles são compactos, leves e, via de regra, têm um pequeno comprimento de construção. Os cabos dos dois últimos tipos destinam-se à colocação em poços de comunicação de cabos, no solo, em suportes ao longo de linhas de energia, debaixo d'água. Esses cabos são protegidos de influências externas e têm um comprimento de construção de mais de dois quilômetros.

Para garantir o alto throughput das linhas de comunicação, são produzidos FOCs contendo um pequeno número (até 8) de fibras monomodo com baixa atenuação, e os cabos para redes de distribuição podem conter até 144 fibras, tanto monomodo quanto multimodo, dependendo as distâncias entre os segmentos de rede.

Na fabricação de FOC, duas abordagens são usadas principalmente:

desenhos com movimento livre de elementos

estruturas com uma ligação rígida entre os elementos.

De acordo com os tipos de estruturas, os cabos são trançados, agrupados, com núcleo perfilado, cabos de fita. Existem inúmeras combinações de designs FOC, que, em combinação com uma ampla gama de materiais utilizados, permitem escolher a versão de cabo que melhor atende a todas as condições do projeto, incluindo custo.

Separadamente, consideramos os métodos de emenda dos comprimentos de construção dos cabos.

A emenda dos comprimentos de construção dos cabos ópticos é realizada usando prensa-cabos de design especial. Estas mangas possuem dois ou mais prensa-cabos, dispositivos para fixação dos elementos de resistência dos cabos e uma ou mais placas de emenda. Uma placa de emenda é uma estrutura para colocar e prender fibras emendadas de diferentes cabos.

Após a colocação do cabo óptico, é necessário conectá-lo ao equipamento transceptor. Isso pode ser feito usando conectores ópticos (conectores). Muitos tipos de conectores são usados ​​em sistemas de comunicação.

Aplicações e classificação de cabos de fibra óptica (FOC)

Dependendo do principal campo de aplicação, os cabos de fibra óptica são divididos em três tipos principais:

· cabos de colocação externa (cabos ao ar livre);

cabos para assentamento interno (cabos internos);

cabos para cordões.

http://www.tls-group.ru/sks/vols/pic/kab_krug.jpg Os cabos externos são usados ​​para criar um subsistema de rodovias externas e conectar edifícios individuais.

A principal área de utilização dos cabos internos é a organização do backbone interno da edificação, enquanto os cabos para cordões destinam-se principalmente à fabricação de patch cords e patch cords, bem como à fiação horizontal na implantação de fibra para os projetos de mesa (fibra para o local de trabalho) e "fibra para o quarto" (fibra para o quarto).

A classificação geral dos cabos ópticos SCS pode ser representada como mostrado na figura.

Componentes eletrônicos de sistemas de comunicação óptica

Transmissão de módulos optoeletrônicos

Os módulos optoeletrônicos transmissores (POMs) usados ​​em sistemas de fibra óptica são projetados para converter sinais elétricos em ópticos. Este último deve ser introduzido na fibra com perdas mínimas. Uma grande variedade de POMs é produzida, diferindo no design, bem como no tipo de fonte de radiação. Alguns operam em velocidades de telefone com uma distância máxima de vários metros, outros transmitem centenas e até milhares de megabits por segundo em distâncias de várias dezenas de quilômetros.

Tipos e características das fontes de radiação

O elemento principal do POM é a fonte de radiação. Listamos os principais requisitos que uma fonte de radiação utilizada em FOCL deve atender:

A radiação deve ser realizada no comprimento de onda de uma das janelas de transparência da fibra. Nas fibras ópticas tradicionais, existem três janelas nas quais se obtém menor perda de luz durante a propagação: 850, 1300, 1550 nm;

A fonte de radiação deve suportar a frequência de modulação necessária para garantir a transmissão da informação na velocidade exigida;

A fonte de radiação deve ser eficiente, no sentido de que a maior parte da radiação da fonte entre na fibra com perda mínima;

A fonte de radiação deve ser forte o suficiente para que o sinal possa ser transmitido a longas distâncias, mas não tanto que a radiação provoque efeitos não lineares ou possa danificar a fibra ou o receptor óptico;

As variações de temperatura não devem afetar o funcionamento da fonte de radiação;

O custo de produção da fonte de radiação deve ser relativamente baixo.

Dois tipos principais de fontes de radiação que atendem aos requisitos acima são usados ​​atualmente - diodos emissores de luz (LED) e laser semicondutor (LD).

A principal característica distintiva entre LEDs e diodos de laser é a largura do espectro de emissão. Os diodos emissores de luz têm um amplo espectro de radiação, enquanto os diodos verdadeiros têm um espectro muito mais estreito, veja a Figura 1. Ambos os tipos de dispositivos são muito compactos e combinam bem com circuitos eletrônicos padrão.

Fig 1. Espectro de emissão de LEDs e diodos de laser

Diodos emissores de luz

Devido à sua simplicidade e baixo custo, os LEDs são muito mais utilizados do que os diodos a laser.

O princípio de funcionamento do LED é baseado na recombinação radiativa de portadores de carga na região ativa de uma estrutura heterogênea quando uma corrente passa por ela, Fig. 2. a. Os portadores de carga - elétrons e lacunas - penetram na camada ativa (heterojunção) a partir das camadas passivas adjacentes (camadas p e n) devido à tensão aplicada à estrutura p-n e, em seguida, experimentam recombinação espontânea, acompanhada de emissão de luz.

O comprimento de onda de radiação X (µm) está relacionado com o band gap da camada ativa Eg (eV) pela lei de conservação de energia λ= 1,24/Eg, fig. 2. b.

O índice de refração da camada ativa é maior que o índice de refração das camadas passivas limitantes, devido ao qual a radiação de recombinação pode se propagar dentro da camada ativa, experimentando múltiplas reflexões, o que aumenta significativamente a eficiência da fonte de radiação.

Heteroestrutura dupla: a) heteroestrutura;

b) diagrama de energia para polarização direta

Estruturas heterogêneas podem ser criadas com base em diferentes materiais semicondutores. Normalmente, GaAs e InP são usados ​​como substratos. A composição compósita apropriada do material ativo é selecionada dependendo do comprimento de onda da radiação gerada pela pulverização catódica sobre o substrato.

O comprimento de onda de emissão λ0 é definido como o valor correspondente à distribuição de potência espectral máxima, e a largura do espectro de emissão Δλ0,5 é o intervalo de comprimento de onda no qual a densidade de potência espectral é metade do máximo.

Diodos de laser

Existem duas diferenças principais de design entre um diodo laser e um LED. Primeiro, o diodo laser possui uma cavidade óptica embutida. Em segundo lugar, o diodo laser opera com correntes de bomba muito mais altas que o LED, o que permite obter o modo de emissão estimulada quando um determinado valor limite é ultrapassado. É esta radiação que se caracteriza pela alta coerência, devido à qual os diodos de laser têm uma largura de espectro de emissão muito menor (1-2 nm) em comparação com 30-50 nm para LEDs.

A dependência da potência de radiação da corrente da bomba é descrita pela característica watt-ampere do diodo laser. Em baixas correntes de bomba, o laser apresenta emissão espontânea fraca, operando como um LED ineficiente. Quando um determinado valor limite da corrente da bomba Ithres é excedido, a radiação torna-se induzida, o que leva a um aumento acentuado da potência de radiação e sua coerência, Fig. 3

Arroz. Características de 3 Watt-ampères: 1 – diodo laser; 2 - LED

O laser consiste em um meio ativo, um dispositivo de bomba e um sistema ressonante (Fig. 23). O meio ativo pode ser um material sólido, líquido ou gasoso. Os semicondutores têm sido amplamente utilizados. Como dispositivo de bombeamento, é usada principalmente energia elétrica. Radiação solar, energia atômica, reação química e outras fontes também podem ser utilizadas. O papel da ressonância é desempenhado por espelhos ou outras superfícies polidas.

Arroz. 4 Diagrama esquemático do laser:

1 - meio ativo; 2 - dispositivo de bombeamento; 3 - sistema ressonante

De acordo com o princípio de funcionamento e o efeito da radiação luminosa, o laser pode ser classificado como um material luminescente. São conhecidos vários tipos de luminescência (brilho): térmica (lâmpada incandescente), fria (fósforo e outros materiais luminosos), natural (vaga-lume, madeira podre), química (reação ativa), etc. A luminescência elétrica atua em lasers semicondutores - o brilho ocorre devido ao bombeamento elétrico.

O princípio de funcionamento dos dispositivos quânticos (lasers) baseia-se no uso da radiação de átomos de matéria sob a influência de um campo eletromagnético externo. Sabe-se da mecânica quântica que o movimento dos elétrons de um átomo ao redor do núcleo caracteriza o estado de energia dos elétrons, também chamado de nível de energia. Quando os elétrons se movem de uma órbita para outra, sob a influência de um campo eletromagnético externo, o nível de energia muda e a energia é emitida.

Atualmente, são utilizados vários tipos de laser: semicondutor, estado sólido, gás, etc. Um laser semicondutor é um diodo semicondutor do tipo pn, feito de um material ativo capaz de emitir quanta-fótons de luz. Como tal material, o arseneto de gálio com aditivos apropriados (telúrio, alumínio, silício, zinco) é usado principalmente. Dependendo da natureza e da quantidade de dopantes, um semicondutor tem regiões de condutividades eletrônicas n (devido ao telúrio) e buraco p (devido ao zinco).

Sob a ação da tensão aplicada no semicondutor, os portadores são excitados, devido ao qual a energia da luz é emitida e um fluxo de fótons aparece. Este fluxo, sendo repetidamente refletido pelos espelhos que formam o sistema ressonante, é amplificado, o que leva ao aparecimento de um feixe de laser com um padrão de radiação altamente direcionado.

Esquematicamente, um laser semicondutor é mostrado na (Fig. 5).

Arroz. 5. Laser semicondutor

O volume do semicondutor é de aproximadamente 1 mm3. Eletrodos de metal são conectados a ele para fornecer tensão elétrica. O papel dos espelhos refletores é desempenhado por faces de extremidade polidas paralelas ao plano do semicondutor. A radiação ocorre na camada de junção pn com uma espessura de 0,15...0,2 µm.

Juntamente com os lasers, os LEDs podem ser usados ​​como fonte de radiação óptica. O LED é o mesmo semicondutor luminescente do tipo p-n do arseneto de gálio, mas não possui amplificação ressonante. Ao contrário de um laser, que possui um feixe coerente altamente direcionado, em um LED a radiação ocorre de forma espontânea (espontaneamente) e o feixe tem menos potência e uma ampla diretividade.

As características comparativas de lasers e LEDs são apresentadas na Tabela 5 e na (Fig. 5).

Tabela 5

Comparando a luz comum, criada, por exemplo, por uma lâmpada incandescente, com um feixe de laser, pode-se notar que em ambos os casos atua um fluxo de fótons. Mas, ao contrário da luz comum, que se baseia na natureza térmica de sua ocorrência e emite um espectro de frequência contínuo muito amplo, o feixe de laser tem uma base eletromagnética e é um feixe monocromático (de onda única).

Fig.25. Largura do espectro do laser (1), LED (2)

O feixe de laser tem uma série de propriedades notáveis. Ele se propaga por longas distâncias e tem uma direção estritamente retilínea. O feixe se move em um feixe muito estreito com um pequeno grau de divergência (chega à lua com um foco de centenas de metros). O feixe de laser tem grande calor e pode perfurar qualquer material. A intensidade da luz do feixe é maior que a intensidade das fontes de luz mais fortes.

Arroz. 6. Fotodiodo semicondutor

Um fotodiodo é usado como um dispositivo receptor que converte luz em eletricidade. Aqui é usado o efeito Stoletov, que consiste no fato de que quando a luz age sobre um material ativo, como um semicondutor, suas propriedades elétricas mudam e um sinal elétrico aparece (Fig. 6).

Assim, nos lasers, a eletricidade é convertida em luz e, nos fotodiodos, ocorre o processo inverso: a luz é convertida em eletricidade.

O backbone FOCL usa duas janelas de 1,3 e 1,55 µm. Como a menor atenuação na fibra é alcançada em uma janela de 1,55 μm, é mais eficiente usar transmissores ópticos com esse comprimento de onda em seções não relé ultra-estendidas (L = 100 km). Ao mesmo tempo, em muitos FOCLs principais, a composição do FOC inclui apenas fibras monomodo escalonadas com um mínimo de dispersão cromática nas proximidades de 1,3 μm (não há fibras com dispersão deslocada). No comprimento de onda de 1,55 µm, o SMF tem uma dispersão cromática específica de 17 ps/nm-km. E como a largura de banda é inversamente proporcional à largura do espectro de radiação, é possível aumentar a largura de banda apenas por uma largura menor do espectro de radiação do laser. Assim, para que os transmissores ópticos de comprimento de onda de 1,55 μm possam ser usados ​​igualmente em uma linha longa não apenas com fibra deslocada por dispersão monomodo (DSF), mas também com fibra escalonada (SMF), é necessário fazer o largura do espectro de emissão de transmissores possível menos.

Quatro tipos principais de diodos laser são mais amplamente utilizados: com um ressonador Fabry-Perot; com feedback distribuído; com gravura de Bragg distribuída; com um ressonador externo.

Diodos laser ressonadores Fabry-Perot (lasers FP, Fabry-Perot). O ressonador em tal diodo laser é formado por superfícies de extremidade que circundam a junção heterogênea em ambos os lados. Uma das superfícies reflete a luz com refletância próxima de 100%, a outra é translúcida, garantindo assim que a radiação escape para o exterior.

Na fig. 1b mostra o espectro de emissão de um diodo laser industrial usando um ressonador Fabry-Perot. Como pode ser visto na figura, juntamente com o pico principal, no qual a potência de radiação principal está concentrada, existem máximos laterais. O motivo de sua ocorrência está relacionado às condições de formação de ondas estacionárias. Para amplificar a luz de um determinado comprimento de onda, duas condições devem ser atendidas. Primeiro, o comprimento de onda deve satisfazer a relação 2D = NΔλ onde D é o diâmetro do ressonador Fabry-Perot e N é algum número inteiro. Em segundo lugar, o comprimento de onda deve estar dentro da faixa dentro da qual a luz pode ser amplificada por emissão estimulada. Se este intervalo for suficientemente pequeno, então existe um regime monomodo com uma largura espectral inferior a 1 nm. Caso contrário, dois ou mais máximos adjacentes podem cair na região Δλ0,5, que corresponde a um regime multimodo com largura espectral de um a vários nm. O laser FP tem de longe o mais alto desempenho técnico, mas para aquelas aplicações onde uma alta taxa de dados alta não é necessária, devido ao seu design mais simples, é mais adequado do ponto de vista de custo-benefício.

Este efeito está ausente nos outros três tipos mais avançados de diodos laser listados acima, que diferem na forma como a cavidade óptica é organizada e são, em certa medida, uma modernização de uma simples cavidade de Fabry-Perot.

Diodos laser com realimentação distribuída (laser DFB) e reflexão de Bragg distribuída (laser DBR). Os ressonadores desses dois tipos bastante semelhantes são uma modificação do ressonador plano de Fabry-Perot, no qual uma estrutura de modulação espacial periódica é adicionada. Nos lasers DFB, a estrutura periódica é alinhada com a região ativa (Fig. 7a), enquanto nos lasers DBR, a estrutura periódica é movida para fora da região ativa (Fig. 7.b). A estrutura periódica afeta as condições de propagação e as características da radiação. Assim, as vantagens dos lasers DFB e DBR em relação aos lasers FP são: diminuição da dependência do comprimento de onda do laser da corrente e temperatura de injeção, alta estabilidade monomodo e profundidade de modulação de quase 10%. O coeficiente de temperatura Δλ/ΔT para o laser FP é cerca de 0,5-1 nm/°C, enquanto que para o laser DFB é cerca de 0,07-0,09 nm/°C. A principal desvantagem dos lasers DFB e DBR é a tecnologia de fabricação complexa e, como resultado, um preço mais alto.

Diodo laser com ressonador externo (laser EC). Nos lasers EC, uma ou ambas as extremidades são revestidas com uma camada especial que reduz a reflexão e, consequentemente, um ou dois espelhos são colocados ao redor da região ativa da estrutura semicondutora. Na fig. 7-7 c) mostra um exemplo de um laser EC com um único ressonador externo. O revestimento antirreflexo reduz a refletância em cerca de quatro ordens de magnitude, enquanto a outra extremidade da camada ativa reflete até 30% do fluxo de luz devido à reflexão de Fresnel. O espelho, via de regra, combina as funções de uma grade de difração. Para melhorar o feedback entre o espelho e o elemento ativo, uma lente é instalada.

Ao aumentar ou diminuir a distância do espelho, bem como girar simultaneamente a grade do espelho - isso é equivalente a alterar o tom da grade - você pode alterar suavemente o comprimento de onda da radiação e a faixa de ajuste atinge 30 nm. Por isso, os lasers EC são indispensáveis ​​no desenvolvimento de equipamentos de compressão de ondas e equipamentos de medição para FOCL. Eles são semelhantes em desempenho aos lasers DFB e DBR.

Outras características

Também são características importantes das fontes de radiação: a velocidade da fonte de radiação; degradação e tempo entre falhas. A velocidade da fonte de radiação. O parâmetro medido experimentalmente que reflete a velocidade da fonte de radiação é a frequência máxima de modulação.Limites preliminares são estabelecidos no nível de 0,1 e 0,9 do valor constante da potência de radiação de luz na modulação de baixa frequência por pulsos de corrente retangulares. À medida que a frequência de modulação aumenta, ou seja, ao passar para escalas menores na escala de tempo, a forma das frentes de luz torna-se mais plana. Para descrever as frentes são introduzidos os tempos de subida Trise e tempos de descida tmi da potência de radiação, definidos como os intervalos de tempo durante os quais ocorre um aumento de 0,1 a 0,9 e, inversamente, uma diminuição do sinal luminoso de 0,9 a 0,1. A frequência máxima de modulação é definida como a frequência dos pulsos elétricos de entrada em que o sinal óptico de saída não ultrapassa os valores limite de 0,1 e 0,9, permanecendo na região interna. Para LEDs, essa frequência pode chegar até 200 MHz, enquanto para diodos de laser pode ser muito maior (vários GHz). Os tempos de subida e descida fornecem informações sobre a largura de banda W. Supondo que sejam iguais (o que nem sempre é o caso), então a largura de banda pode ser determinada pela fórmula: W = 0,35/τrise.

Arroz. 7. Três tipos principais de diodos laser: a) laser de feedback distribuído, laser DFB; b) laser com reflexão distribuída de Bragg, laser DBR; c) laser com um ressonador externo, laser EC

Degradação e tempo entre falhas. Conforme a operação do transmissor óptico, suas características se deterioram gradualmente - a potência da radiação cai e, no final, falha. Isto é devido à degradação da camada semicondutora. A confiabilidade de um emissor semicondutor é determinada pelo tempo médio de falha ou taxa de falha. Os diodos laser fabricados há dez anos eram muito menos confiáveis ​​que os LEDs. No entanto, atualmente, graças ao aprimoramento dos projetos e da tecnologia de fabricação, foi possível aumentar significativamente a confiabilidade dos diodos laser e aproximá-los dos LEDs em termos de MTBF, que é de até 50.000 horas ou mais (5-8 anos).

Principais elementos do POM

Para organizar a transmissão de sinais ópticos, não basta ter apenas uma fonte de radiação. Em qualquer projeto POM existe um suporte especial (carcaça), que permite fixar e proteger os componentes do transmissor; fonte de radiação, nó de interface elétrica e interface de fibra. Às vezes, são necessários componentes internos adicionais para uma conexão de fibra ideal. Um elemento importante dos diodos laser é o circuito de corrente da bomba e o sistema de controle de temperatura. Para sistemas de laser complexos, o monitoramento de saída do sinal óptico é adicionado. O esquema geral do projeto de um transmissor óptico, no qual nem todos os elementos são obrigatórios, é mostrado na Fig. oito.

Arroz. 8. Componentes do módulo optoeletrônico transmissor

Fibra ótica

O elemento principal do OC é um guia de luz de fibra feito na forma de uma fibra de vidro cilíndrica fina. O guia de luz de fibra tem um design de duas camadas e consiste em um núcleo e um revestimento com diferentes características ópticas (índices de refração). O núcleo serve para transmitir energia eletromagnética. O objetivo do shell é criar as melhores condições para reflexão na interface “core-shell” e proteção da radiação de energia no espaço circundante. Na parte externa, há um revestimento protetor para proteger a fibra do estresse mecânico e da coloração.O núcleo e a bainha são feitos de quartzo, o revestimento é feito de epoxiacrilato, fluoroplástico, nylon, verniz e outros polímeros.

As fibras ópticas são classificadas em monomodo e multimodo. Estes últimos são divididos em escalonados e gradientes. As fibras monomodo têm um núcleo fino (6 ... 8 mícrons) e uma onda é transmitida através delas; multimodo (núcleo 50 μm) propaga um grande número de ondas. As fibras monomodo têm os melhores parâmetros em termos de rendimento e alcance. Para fibras escalonadas, o índice de refração no núcleo é constante, há uma transição acentuada do núcleo para o revestimento e os raios são refletidos em ziguezague da interface “núcleo-revestimento”. As fibras de gradiente têm uma mudança contínua e suave no índice de refração no núcleo ao longo do raio da fibra do centro para a periferia, e os raios se propagam ao longo de trajetórias ondulatórias. O índice de refração do núcleo varia ao longo do raio de acordo com a lei da função exponencial

,

onde é o valor máximo do índice de refração no eixo da fibra, ou seja, em r=0; u é o expoente que descreve o perfil da mudança no índice de refração:

Na maioria das vezes, são usados ​​guias de luz com perfil parabólico. Neste caso, u=2 e respectivamente:

Se aceitarmos , obteremos o valor conhecido de n da fibra escalonada

O parâmetro (bandwidth) é, juntamente com a atenuação, o parâmetro mais importante do FOTS. Ele determina a banda de frequência transmitida pela fibra óptica e, consequentemente, a quantidade de informações que podem ser transmitidas por OK ..

Na versão idealizada final do VS, é possível organizar um grande número de canais em longas distâncias, mas na verdade existem limitações significativas. Isso se deve ao fato de que o sinal na entrada do dispositivo receptor vem borrado, distorcido, e quanto mais longa a linha, mais distorcido o sinal transmitido.

Esse fenômeno é chamado de dispersão e se deve à diferença no tempo de propagação de vários modos na fibra e à presença de uma dependência da frequência do índice de refração.

A dispersão é a dispersão ao longo do tempo dos componentes espectrais ou de modo de um sinal óptico. A dispersão leva a um aumento na duração do pulso ao passar pelo OK. O alargamento de pulso t é definido como a diferença quadrática entre a duração do pulso na saída e na entrada pela fórmula

onde os valores de e são tomados no nível da metade da amplitude do pulso.

A relação entre a magnitude do alargamento do pulso e a banda de frequência transmitida pela aeronave é aproximadamente expressa pela relação

Portanto, se \u003d 20 ns / km, então .

A dispersão não apenas limita a faixa de frequência do uso de fibras ópticas, mas também reduz significativamente a faixa de transmissão sobre OK, pois quanto maior a linha, maior a dispersão e maior o alargamento do pulso.

A taxa de transferência de um OC depende significativamente do tipo de AF (modo único, multimodo, gradiente), bem como do tipo de emissor (laser, LED).

As causas da dispersão são:

incoerência das fontes de radiação e aparência do espectro;

a existência de um grande número de modos (N).

No primeiro caso, a dispersão é chamada cromática (frequência). É dividido em material e guia de ondas (dispersão intermodo). A dispersão do guia de onda é causada por processos dentro do modo e é caracterizada pela dependência do coeficiente de propagação do modo no comprimento de onda. A dispersão do material é devido à dependência do índice de refração no comprimento de onda.

No segundo caso, a dispersão é chamada de código e se deve à presença de um grande número de modos, cujo tempo de propagação é diferente.

Em uma interpretação geométrica, os raios correspondentes aos modos percorrem diferentes ângulos, percorrem um caminho diferente no núcleo da fibra e, portanto, chegam à entrada do receptor com diferentes atrasos.

O valor resultante do alargamento de pulso devido a dispersões modais, de material e de guia de onda

Levando em conta a proporção real das contribuições de tipos individuais de dispersões, temos o alargamento de pulso para fibras multimodo e para fibras monomodo.

O valor do alargamento de pulso em fibras multimodo devido à dispersão modal, que é caracterizado pelo tempo de subida do sinal e é determinado como a diferença entre o maior e o menor tempo de chegada na seção transversal da fibra a uma distância I do início, pode ser calculado para uma fibra escalonada e gradiente, respectivamente, pelas fórmulas

e ,

onde é o índice de refração do núcleo; é o índice de refração da casca; l - comprimento da linha; c é a velocidade da luz;

Comprimento de acoplamento de modo em que ocorre o estado estacionário (5...7 km para fibras escalonadas e 10...15 km para fibras de gradiente);

Assim, a capacidade de transmissão de uma fibra de gradiente é 2/ vezes menor que a de uma fibra de degrau, para os mesmos valores de . Considerando que, via de regra, a diferença no rendimento dessas fibras pode chegar a duas ordens de grandeza.

O alargamento de pulso em fibras monomodo pode ser determinado a partir das fórmulas

;

,

onde é a largura relativa do espectro de radiação; l - comprimento da linha; c é a velocidade da luz; - Comprimento de onda; - índice de refração.

Para o cálculo, você também pode usar fórmulas simplificadas

e

onde é a largura da linha espectral da fonte de radiação, igual a 0,1 ... 4 Nm para um laser e 15 ... 80 Nm para um guia de luz; l é o comprimento da linha; e são as dispersões de material específico e guia de onda, respectivamente.

As dispersões específicas são expressas em picossegundos por quilômetro (comprimento óptico) e nanômetros (largura do espectro). As dependências do material e das dispersões do guia de onda para o vidro de quartzo são mostradas na (Fig. 21).

Como pode ser visto na figura, à medida que o comprimento de onda aumenta, ele diminui e passa por zero e aumenta ligeiramente. Perto de μm, ocorre a compensação mútua e a dispersão resultante se aproxima de zero. Portanto, o comprimento de onda de 1,3 μm é amplamente utilizado em sistemas de transmissão monomodo. No entanto, em termos de atenuação, é preferível uma onda de 1,55 μm e, para obter um mínimo de dispersão, neste caso é necessário variar o perfil do índice de refração e o diâmetro do núcleo. Com um perfil tipo W complexo e um guia de luz de três camadas, também é possível obter um mínimo de distorções de dispersão em um comprimento de onda de 1,55 μm.

Na tabela. 4 mostra as propriedades de dispersão de vários tipos de aeronaves.

Tabela 4

Comparando as características de dispersão de várias fibras, pode-se notar que as fibras monomodo são as melhores. Guias de luz gradiente com uma mudança suave no índice de refração também têm boas características. A dispersão manifesta-se mais nitidamente em fibras multimodo escalonadas.

Considere a largura de banda OK. Em cabos elétricos com condutores de cobre (balanceados e coaxiais), a largura de banda e o alcance de comunicação são limitados principalmente pela atenuação e imunidade ao ruído dos circuitos. Os cabos ópticos são fundamentalmente imunes a influências eletromagnéticas e possuem alta imunidade a ruídos, portanto, o parâmetro de imunidade a ruídos não é um fator limitante. Em OK, a largura de banda e o alcance de comunicação são limitados pela atenuação e dispersão.

O amortecimento de OK aumenta de acordo com a lei. Em uma ampla faixa de frequência, é muito estável e somente em frequências muito altas aumenta devido à dispersão. Portanto, a dispersão determina a largura de banda de frequência. Pode-se ver na figura que a largura de banda das fibras monomodo é muito maior do que a das fibras escalonadas e gradientes.

Arroz. 9. Dependência de dispersão () e largura de banda () OK no comprimento da linha

A Figura 9 mostra a natureza das dependências de dispersão () e throughput () de cabos ópticos no comprimento da linha. A dispersão leva tanto à limitação do rendimento do OC quanto à redução do alcance de transmissão sobre eles (l). A banda de frequência e a distância de transmissão l estão inter-relacionadas. A razão entre eles é expressa pelas fórmulas:

para linhas curtas (), em que o alargamento do pulso cresce linearmente com o comprimento,

para linhas longas (), nas quais opera a lei de mudança na magnitude da largura de pulso,

onde é a dispersão por 1 km; - o valor desejado da dispersão; - comprimento da linha; - comprimento da linha de modo de estabelecimento (5...7 km para fibra escalonada e 10...15 km para fibra gradiente).

O valor quilométrico da largura de banda é determinado pelo valor de alargamento de pulso:

Processos físicos em fibras ópticas

Ao contrário dos cabos convencionais, que possuem condutividade elétrica e corrente de condução, o OK possui um mecanismo completamente diferente - eles possuem correntes de polarização, com base nas quais a transmissão de rádio também opera. A diferença da transmissão de rádio é que a onda não se propaga no espaço livre, mas se concentra no próprio volume da fibra e é transmitida ao longo dela em uma determinada direção (Fig. 10).

Fig.10 Processo de transferência:

a-rádio comunicação; comunicação de fibra óptica b

A transmissão de uma onda através de um guia de luz é realizada devido às suas reflexões a partir do limite entre o núcleo e o revestimento, que possuem diferentes índices de refração. Nos cabos convencionais, o portador da informação transmitida é uma corrente elétrica e, em um OK, um feixe de laser.

Nos cabos balanceados e coaxiais convencionais, atualmente amplamente utilizados, a transmissão é organizada de acordo com um esquema de dois fios usando os condutores direto e reverso do circuito (Fig. 11).

Arroz. 11. Transferência de energia através de dois fios (a) e guia de onda (b) meio guia

Em guias de luz, guias de onda e outros meios de guiamento (NS) não existem dois condutores, e a transmissão ocorre pelo método de guia de onda de acordo com a lei da reflexão múltipla de uma onda a partir das interfaces de meio. Tal limite refletivo pode ser um dielétrico de metal, dielétrico-dielétrico com diferentes propriedades dielétricas (ópticas), etc.

A interface entre dois fios (conectado duplo) e guia de onda (conectado simples) NS é caracterizada principalmente pela razão entre o comprimento de onda e as dimensões transversais do meio guia.

Quando deve haver dois fios: para frente e para trás, e a transmissão ocorre no esquema usual de dois fios; caso contrário, não é necessário um sistema de dois fios, e a transmissão é realizada devido à reflexão múltipla da onda das interfaces entre meios com características diferentes. Portanto, a transmissão através de sistemas de guias de ondas (fibras, guias de ondas e outros NS) só é possível na faixa de frequências muito altas, quando o comprimento de onda é menor que as dimensões-diâmetro transversais do NS.

As ondas de mícron óptico são divididas em três faixas: infravermelho, visível e ultravioleta (Tabela 2). Atualmente, os comprimentos de onda de 0,7 ... 1,6 μm são usados ​​principalmente e o trabalho está em andamento para desenvolver a faixa do infravermelho próximo: 2; quatro; 6 um.

mesa 2

Diferentes sistemas usam diferentes meios (guiados ou abertos) e correntes ( e ). As características destes NS estão associadas a restrições de frequência na transmissão de energia.

A faixa de frequência de transmissão por guia de ondas e sistemas de dois fios é fundamentalmente diferente. Os sistemas de guia de onda têm uma frequência de corte - uma frequência crítica , comportam-se como filtros de alta frequência e apenas ondas com comprimento inferior a . Os sistemas de dois fios estão livres dessas restrições e são capazes de transmitir toda a faixa de frequência - de zero e acima.

Amplos horizontes se abriram para a aplicação prática de sistemas de transmissão OC e fibra óptica em setores da economia nacional como rádio-eletrônica, ciência da computação, comunicações, tecnologia da computação, espaço, medicina, holografia, engenharia mecânica, energia nuclear, etc. A fibra óptica está se desenvolvendo em seis áreas:

Sistemas de transmissão de informação multicanal;

TV a cabo;

Redes informáticas locais;

Sensores e sistemas de coleta, processamento e transmissão de informações;

Comunicação e telemecânica em linhas de alta tensão;

Equipamento e instalação de objetos móveis.

O FOTS multicanal começa a ser amplamente utilizado no backbone e nas redes de comunicação zonal do país, bem como no dispositivo de conexão de linhas entre centrais urbanas. Isso é explicado pela grande capacidade de informação do OK e sua alta imunidade a ruídos. As rodovias ópticas subaquáticas são especialmente eficientes e econômicas. O uso de sistemas ópticos na televisão a cabo proporciona alta qualidade de imagem e amplia significativamente as possibilidades de serviço de informação para assinantes individuais. Nesse caso, um sistema de recepção personalizado é implementado e os assinantes têm a oportunidade de receber imagens de páginas de jornais, páginas de revistas e dados de referência da biblioteca e dos centros educacionais em suas telas de TV.

Com base em OK, são criadas redes de computadores locais de várias topologias (anel, estrela, etc.). Essas redes permitem unir centros de computação em um único sistema de informação com alta largura de banda, melhor qualidade e proteção contra acesso não autorizado.

Os sensores de fibra óptica são capazes de operar em ambientes agressivos, são confiáveis, de pequeno porte e não estão sujeitos a influências eletromagnéticas. Permitem avaliar à distância diversas grandezas físicas (temperatura, pressão, corrente, etc.). Os sensores são usados ​​na indústria de petróleo e gás, sistemas de segurança e alarme de incêndio, tecnologia automotiva, etc. O uso de OK em linhas de alta tensão (LT) é muito promissor para organizar comunicações tecnológicas e telemecânica. As fibras ópticas são embutidas em uma fase ou cabo. Aqui, os canais são altamente protegidos dos efeitos eletromagnéticos de linhas de energia e tempestades. A leveza, o tamanho pequeno e a não inflamabilidade do OK os tornaram muito úteis para a instalação e equipamentos de aeronaves, navios e outros dispositivos móveis.

Recentemente, surgiu uma nova direção no desenvolvimento da tecnologia de fibra óptica - o uso da faixa de comprimento de onda do infravermelho médio de 2 ... 10 mícrons. Espera-se que as perdas nesta faixa não ultrapassem 0,02 dB/km. Isso permitirá a comunicação a longas distâncias com locais de regeneração de até 1.000 km. O estudo de vidros de flúor e calcogeneto com adições de zircônio, bário e outros compostos que possuem supertransparência na faixa de comprimento de onda do infravermelho permite aumentar ainda mais o comprimento da seção de regeneração. Novos resultados interessantes são esperados no uso de fenômenos ópticos não lineares, em particular, o modo sóliton de propagação de pulso óptico, quando um pulso pode se propagar sem alterar sua forma ou alterar periodicamente sua forma durante a propagação ao longo de uma fibra. A utilização deste fenômeno em fibras ópticas aumentará significativamente a quantidade de informação transmitida e o alcance da comunicação sem o uso de repetidores.

É muito promissor implementar o método de divisão de frequência de canais em FOCL, que consiste no fato de que a radiação de várias fontes operando em diferentes frequências é introduzida simultaneamente na fibra e os sinais são separados na extremidade receptora por meio de filtros ópticos. Este método de separação de canais em FOCL é chamado de multiplexação espectral ou multiplexação.

Na construção de redes de assinantes FOCL, para além da estrutura tradicional de uma rede telefónica do tipo radial-nodal, prevê-se a organização de redes em anel que garantam a poupança de cabos. ocorrerá em frequências ópticas usando elementos e circuitos de óptica integrada. Isso simplificará os circuitos do amplificador regenerativo, melhorará sua eficiência e confiabilidade e reduzirá o custo. Na terceira geração do FOTS, deve-se usar a conversão de sinais de fala em ópticos diretamente com a ajuda de transdutores acústicos. Um telefone óptico já foi desenvolvido e estão em andamento trabalhos para criar centrais telefônicas automáticas fundamentalmente novas que alternam a luz, em vez de sinais elétricos. Existem exemplos de criação de comutadores ópticos de alta velocidade de várias posições que podem ser usados ​​para comutação óptica.

Com base nos sistemas de transmissão OK e digital, está a ser criada uma rede multifuncional integrada, incluindo vários tipos de transmissão de informação (telefonia, televisão, transmissão de dados de computadores e sistemas de controlo automatizados, videotelefone, fototelegrafia, transmissão de páginas de jornais, mensagens de bancos, etc.). Um canal PCM digital com taxa de transmissão de 64 Mbps (ou 32 Mbps) foi adotado como canal unificado.Para a ampla utilização de OK e FOTS, é necessário resolver uma série de problemas.

Estes incluem principalmente o seguinte:

Elaboração de questões sistêmicas e determinação de indicadores técnicos e econômicos do uso de OK em redes de comunicação;

Produção industrial em massa de fibras monomodo, guias de luz e cabos, bem como dispositivos optoeletrônicos para eles;

Melhorar a resistência à umidade e confiabilidade do OK através do uso de conchas metálicas e enchimento hidrofóbico;

Domínio da faixa de comprimento de onda do infravermelho de 2...10 µm e novos materiais (fluoreto e calcogênio) para a fabricação de guias de luz, permitindo comunicação a longas distâncias;

Criação de redes locais de informática e informática;

desenvolvimento de equipamentos de teste e medição, reflectômetros, testadores necessários para a produção de OK, configuração e operação de FOCL;

Mecanização da tecnologia de assentamento e automação da instalação OK;

aprimorar a tecnologia de produção industrial de guias de luz de fibra e OK, reduzindo seu custo;

Pesquisa e implementação do modo de transmissão soliton, no qual o pulso é comprimido e a dispersão é reduzida;

Desenvolvimento e implementação de um sistema e equipamento para multiplexação espectral de OK;

criação de uma rede integrada de assinantes de múltiplos propósitos;

a criação de transmissores e receptores que convertem diretamente som em luz e luz em som;

Aumento do grau de integração dos elementos e criação de unidades de alta velocidade do equipamento formador de canais PCM utilizando elementos ópticos integrados;

Criação de regeneradores ópticos sem converter sinais ópticos em elétricos;

Aperfeiçoamento de dispositivos optoeletrônicos de transmissão e recepção para sistemas de comunicação, desenvolvimento de recepção coerente;

Desenvolvimento de métodos e dispositivos eficazes para alimentação de regeneradores intermediários para redes de comunicação zonal e backbone;

otimização da estrutura de várias seções da rede, levando em consideração as peculiaridades do uso de sistemas em OK;

Aperfeiçoamento de equipamentos e métodos de separação de frequência e tempo de sinais transmitidos através de fibras ópticas;

Desenvolvimento de um sistema e dispositivos para comutação óptica.

Bibliografia

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