Ako funguje vlákno: Čo udržuje svetlo vo vlákne?

V súčasnosti vysokorýchlostné optické pripojenie spôsobilo revolúciu v spôsobe, akým žijeme, pracujeme a komunikujeme. Rastúci globálny dopyt po šírke pásma a spoľahlivosti systému poháňa pokračujúce prijímanie technológií hyperscale, so škálovateľnými celovláknovými sieťami, ktoré uľahčujú bezproblémový tok dát v časoch špičkového dopytu. Predtým, ako sa ponoríme do princípov optických vlákien, pozrime sa v krátkosti na výhody prechodu z tradičnej infraštruktúry na báze medi na modernú technológiu optických vlákien. V porovnaní s rýchlosťou prenosu dát tradičných medených káblov môže vláknová kabeláž poskytnúť vyššiu prenosovú rýchlosť. To sú samozrejme všetky výhody optických vlákien. Na rozdiel od tradičnej medenej kabeláže vlákno prenáša dáta vo forme svetla a nie elektriny, čím sa minimalizujú problémy s teplom v tesne prepojených potrubiach a sieťach s vysokou hustotou. Okrem toho jediné vlákno dokáže preniesť signál na viac ako 100 kilometrov, pričom k útlmu signálu v medenom kábli dochádza približne na 100 metrov. Niet pochýb o tom, že technológia optických vlákien je chrbtovou kosťou budúceho vysokorýchlostného, ​​hyperprepojeného sveta s nízkou latenciou. S cieľom vysvetliť, ako funguje vláknová optika a určiť, čo udržuje svetlo vo vláknovej optike, tento článok poskytne stručný prehľad základných vlastností technológie vláknovej optiky, pričom spojí relevantné faktory, procesy a vedecké princípy podporujúce doplnkové technológie, ktoré poháňajú budúce vyhliadky pripojenia optických vlákien.

Optický kábel: Štruktúra a zloženie

Kábel z optických vlákien pozostáva z troch kľúčových komponentov. Jedným z nich je svetlo nesúce jadro, po ktorom nasleduje plášť a nakoniec ochranný vonkajší povlak (známy aj ako plášť). Každý komponent (alebo valcová vrstva) kábla z optických vlákien má špecifický účel pri efektívnom šírení údajov ako optického signálu. Pochopenie pojmov ako lom, index lomu a úplný vnútorný odraz pomáha pochopiť funkciu a použitie materiálov používaných v optických vláknach.

Štruktúra kábla z optických vlákien: Jadro optického signálu prechádza jadrom. Jadro pozostáva z vysoko čistého oxidu kremičitého (SiO2) a veľmi malého množstva "dopantov", ako je germánium, ktoré sa pridávajú na úpravu indexu lomu pre optimálnu priepustnosť svetla. Jadrá rôznych priemerov môžu byť použité na rôzne účely. Napríklad relatívne úzky priemer jednovidového vlákna (zvyčajne asi 8-10 mikrónov) obmedzuje prenos na jedinú, zameranú cestu, čo pomáha udržiavať vernosť signálu na veľké vzdialenosti. Alternatívne, multimódové vlákna, ktoré prenášajú rôzne optické signály na krátke vzdialenosti (napr. vo vnútri budov alebo v areáli), vyžadujú priemer 50+ mikrónov.

Či už jednovidový alebo viacvidový, vysoký index lomu jadra v porovnaní s plášťom je faktorom pri dosahovaní úplného vnútorného odrazu. Obloženie Obloženie obklopuje jadro. Vlákna s dvojitým a trojitým plášťom slúžia špecializovaným aplikáciám s vysokým výkonom, ako sú priemyselné laserové systémy, zatiaľ čo jednoplášťové optické káble slúžia každodenným aplikáciám, ako sú telekomunikácie a dátové siete. Hlavným účelom obkladu je obmedziť svetlo v jadre. To sa dosiahne poskytnutím nižšieho indexu lomu na dosiahnutie úplného vnútorného odrazu. Vonkajšia vrstva (alebo plášť) neinteraguje priamo so svetlom prechádzajúcim jadrom.

Namiesto toho vonkajšia vrstva poskytuje mechanickú pevnosť a fyzickú ochranu proti environmentálnym faktorom, ktoré by mohli znížiť index lomu materiálu vo vnútri vlákna. Patrí medzi ne príjem vody súvisiaci s počasím a extrémne teploty, ako aj ťahanie, ohýbanie a krútenie počas inštalácie a pohybu. Robustný plášť kábla tak pomáha zabezpečiť efektívny a spoľahlivý prenos svetla. Aby sme lepšie pochopili, ako svetlo zostáva vo vlákne, musíme začať spájať kľúčové pojmy úplného vnútorného odrazu, kritického uhla a indexu lomu.

Čo je to refrakcia? Refrakcia popisuje zmenu smeru svetla pri prechode cez médium rôznych hustôt. Zvážte napríklad posvietenie baterkou na veľkú sklenenú misku naplnenú vodou. Pretože svetlo nad čiarou ponoru je pozorované cez relatívne menej hustý vzduch v porovnaní so svetlom dopadajúcim na hustejšiu vodu pod ním, zdá sa, že uhol svetelnej dráhy sa pri vstupnom bode mení. Keď svetlo prechádza médiom rôznych hustôt, zmena smeru svetla sa nazýva lom svetla (pozri Snellov zákon nižšie). Čo je index lomu? Ak budeme pokračovať v príklade svietenia baterkou do vody, mohli by sme si položiť otázky ako: "Lomí sa svetlo vždy pod rovnakým uhlom?" Odpoveď je nie. Svetlo sa láme pod vypočítateľným uhlom podľa indexu lomu. Poznaním napríklad indexu lomu vody a vzduchu možno optické parametre, ktoré určujú uhol lomu, zadať do rovnice, ktorá ukazuje presný uhol očakávaného lomu pri izbovej teplote (v niektorých prípadoch extrémne teploty ovplyvňujú hustotu média) treba brať do úvahy).

Ako súvisí index lomu s jadrom a plášťom?

Svetlo pohybujúce sa z hustejšieho média do menej hustého sa bude odchyľovať od „normálu“ (to je pomyselná čiara kolmá na rozhranie medzi dvoma médiami v mieste vstupu). Vráťme sa k príkladu baterky, mohli by sme zvážiť ponorenie baterky do vody, takže svetlo teraz musí cestovať z hustejšej vody do vzduchu s menšou hustotou, napodobňujúc to, čo sa stane, keď svetlo prechádza cez jadro a do plášťa. Nasmerovanie uhla lúča baterky za "kritický uhol" odrazí svetlo do vody. Podobne uhol svetla prechádzajúceho jadrom musí prekročiť kritický uhol a plášť musí poskytovať nižší index lomu ako jadro.

Kritický uhol a úplný vnútorný odraz Svetlo zažije úplný vnútorný odraz, keď sa šíri z hustejšieho média do menej hustého média pod uhlom za kritickým uhlom. Toto je miesto, kde sa svetlo odráža do hustejšieho primárneho média a nevstupuje do menej hustého sekundárneho média. Pochopenie princípov lomu, indexu lomu, kritického uhla a úplného vnútorného odrazu umožňuje inžinierom vybrať materiály jadra a plášťa pre optimálny výkon vlákna.