Как работает оптический кабель? Практическое руководство по передаче сигналов с помощью света

Если вы поднесете обрезанный конец оптоволоконного патч-корда к стене и увидите слабое красное свечение, вы смотрите на сам сигнал. Это свечение — это данные: крошечный источник света, который включается и выключается миллионы раз в секунду. Оптический кабель работает путем преобразования электрических сигналов в импульсы света, пропуская эти импульсы через тонкую, как волос, нить стекла или пластика и преобразовывая их обратно в электрические сигналы на дальнем конце. Поскольку информация распространяется в виде фотонов, а не электронов, она может преодолевать десятки и даже сотни километров с низкими потерями, высокой пропускной способностью и полной невосприимчивостью к электромагнитным помехам. Прежде всего одно предостережение: никогда не смотрите прямо на конец подключенного волокна, поскольку невидимый инфракрасный свет, используемый в реальных сетях, может необратимо повредить ваши глаза. В разделах ниже шаг за шагом объясняется физика, а затем связываются каждый принцип с деталями, которые имеют значение при выборе, покупке или установке кабеля для реального проекта.

Что на самом деле находится внутри оптического кабеля

Первый вывод: оптический кабель представляет собой прецизионную световую трубку, обернутую защитной оболочкой. Его рабочая часть представляет собой нить сверхчистого стекла, вытянутую тоньше человеческого волоса; все остальное существует для того, чтобы сохранять свет внутри этой нити и сохранять саму нить нетронутой.

• Основной. Светоносный центр из стекла или оптического пластика. Стеклянные телекоммуникационные волокна имеют сердцевину от 8 до 62,5 микрон в зависимости от типа.
• Облицовка. Слой стекла с несколько меньшим показателем преломления, окружающий ядро; он задерживает свет внутри. Пара ядро-оболочка обычно имеет диаметр 125 микрон.
• Покрытие и буфер. Мягкий акрилатный слой, обычно толщиной около 250 микрон, защищает стекло от истирания и влаги.
• Члены силы. Арамидная пряжа или стержни из стекловолокна, которые выдерживают растягивающую нагрузку, поэтому стеклу никогда не придется этого делать.
• Внешняя куртка. ПВХ или материал с низким содержанием дыма, не содержащий галогенов, внутри помещений, полиэтилен, стабилизированный УФ-излучением, снаружи, выбранный для защиты от ударов, воды, перепадов температур и грызунов.

Стекло настолько чистое, что инженеры любят говорить, что океан, если бы он был сделан из него, позволил бы вам увидеть морское дно с поверхности. Свет может путешествовать на многие километры, прежде чем потеряет хотя бы половину своего света.

Полное внутреннее отражение: почему свет остается внутри

Руководящим принципом является полное внутреннее отражение. Сердечник легирован, чтобы иметь более высокий показатель преломления, чем оболочка, примерно 1,48 против 1,44 в типичном многомодовом волокне. Когда свет, проходящий по ядру, попадает на эту границу под достаточно малым углом, он полностью отражается обратно, как идеальное зеркало, и зигзагообразно движется вниз по нити. Поскольку отражение полное, свет практически не проникает в оболочку, и сигнал распространяется на километры.

Угол – это все. Свет должен проникнуть в волокно внутри конуса, называемого приемным конусом; за пределами этого конуса он просачивается в оболочку и затухает в пределах нескольких метров. Вот почему торцы разъемов должны быть отполированы и точно состыкованы. Грязный или смещенный разъем выбрасывает свет за пределы приемного угла и превращает чистое соединение в соединение с потерями, поэтому тестирование волокна всегда начинается с проверки и очистки торца.

Полная цепочка: от электричества к свету и обратно

1. Передатчик преобразует электроны в фотоны.

На передающей стороне схема драйвера переключает источник света в соответствии с цифровыми данными, обычно посредством простой манипуляции. В системах ближнего действия используются светодиоды или VCSEL (лазеры поверхностного излучения с вертикальным резонатором); В системах дальней связи используются прецизионные лазерные диоды, привязанные к длинам волн инфракрасного диапазона, чаще всего 850 нм, 1310 нм или 1550 нм, где стекло наиболее чистое.

2. Волокно передает импульсы

Затухание определяет бюджет. Многомодовое волокно теряет около 3 дБ на километр при длине волны 850 нм, поэтому сигнал уменьшается примерно вдвое на каждом километре. Одномодовое волокно на длине волны 1550 нм теряет около 0,2 дБ на километр, поэтому по нему строятся дальние и подводные маршруты. Каждый сопряженный разъем обычно добавляет от 0,3 до 0,5 дБ, а каждое сварное соединение — около 0,1 дБ, и инженеры суммируют эти цифры, чтобы подтвердить, что соединение действительно закроется.

3. Усилители и регенераторы восстанавливают сигнал.

На больших расстояниях оптоволоконные усилители, легированные эрбием, усиливают оптический сигнал напрямую, не преобразовывая его обратно в электричество, а регенераторы, расположенные на расстоянии десятков километров друг от друга, восстанавливают чистые импульсы на самых длинных маршрутах.

4. Приемник преобразует фотоны обратно в данные.

Фотодиод на дальнем конце преобразует интенсивность света обратно в электрический ток, а принимающая электроника восстанавливает исходный цифровой поток. Вся цепочка, от электрической до оптической и обратно, является причиной того, что оптоволоконные линии описываются балансом сквозных потерь, а не только длиной кабеля.

Одномодовые и многомодовые: выбор диаметра трубы

Размер ядра является наиболее важной характеристикой, поскольку он определяет, сколько путей, называемых модами, может пройти свет. Небольшое ядро ​​допускает только один путь, поэтому весь свет приходит почти одновременно. Большое ядро ​​допускает множество путей, а разброс времени прибытия, известный как модовая дисперсия, ограничивает как расстояние, так и полосу пропускания. В таблице ниже суммирован компромисс.

Бытовая версия: цифровое оптическое аудио

Квадратный оптический порт на задней панели телевизора или звуковой панели работает по точно такой же физике в миниатюре. Пластиковое оптическое волокно толщиной около одного миллиметра передает импульсы от видимого красного светодиода с длиной волны примерно 650 нм, форматированные как цифровой аудиопоток S/PDIF. Фотодиод на дальнем конце преобразует импульсы обратно в электрический сигнал для чипа декодера.

Практическая польза — изоляция. Поскольку через зазор не проходит ничего проводящего, оптический звук устраняет контуры заземления, вызывающие шум, и устраняет электромагнитные помехи от близлежащих источников питания. Его ограничением является полоса пропускания: формат поддерживает сжатый объемный звук 5.1, но не поддерживает форматы без потерь и с высокой скоростью передачи данных, которые поддерживаются в новых версиях HDMI, поэтому HDMI взял на себя большую часть маршрутизации домашнего кинотеатра.

Гибридные конструкции: когда по одному маршруту необходимо передавать электроэнергию и данные

Промышленные проекты редко предлагают отдельные маршруты. Башенному крану необходим сервопривод и обратная связь от энкодера; туннельной машине необходим ток двигателя и данные датчиков; Станция мониторинга на вершине горы нуждается в питании своей электроники и подключении камер. Протягивание силового кабеля и кабеля передачи данных рядом удваивает объем монтажных работ, удваивает пространство лотка или воздуховода и удваивает количество точек отказа. Волоконно-оптический композитный кабель решает эту проблему, помещая медные силовые жилы и оптические волокна в одну общую оболочку, поэтому одно нажатие обеспечивает и то, и другое.

Волоконно-оптический композитный кабель, сочетающий в себе силовые жилы и оптические волокна Этот гибридный кабель объединяет медные силовые проводники и оптоволоконные блоки в одну общую оболочку, позволяя за один рывок передавать как мощность, так и данные, что идеально подходит для кранов, туннельных машин и станций удаленного мониторинга, где отдельные маршруты нецелесообразны. Посмотреть продукт →

Оптические элементы внутри этих гибридов подчиняются всем принципам, описанным выше: полное внутреннее отражение, затухание в зависимости от длины волны и баланс потерь в разъеме. Между тем, куртка должна выдерживать воздействие окружающей среды, будь то ультрафиолетовое излучение на открытых башнях, нефть в заводских ямах или насыщенный солью воздух вблизи береговой линии. Там, где приводные системы и инверторы создают сильные электрические помехи, усиленное экранирование вокруг кабеля обеспечивает защиту окружающего оборудования; сам свет невосприимчив, но клеммы и электроника все равно выигрывают.

GDL23 Армированный оптоволоконный композитный кабель для прямого захоронения Благодаря двухслойной стальной ленточной броне, водоблокирующему заполнению и химически стойкой оболочке GDL23 защищает как оптические, так и медные элементы в суровых условиях, таких как инженерные туннели, зоны просадки и зоны с сильными электрическими помехами от приводов и инверторов. Посмотреть продукт →

На автоматизированных производственных линиях композитные конструкции обычно указываются наряду с другими семействами промышленных кабелей, и это помогает рассматривать их в контексте законченного производства. кабельные решения для систем автоматизации а не как отдельные компоненты.

Где побеждает оптоволокно и где медь все еще имеет смысл

Волокно не является автоматически правильным ответом, и отношение к нему как к таковому приводит к перерасходу средств. Оптоволокно решительно выигрывает по расстоянию, пропускной способности на прядь, устойчивости к электромагнитным помехам, весу и безопасности, поскольку подсоединение стеклянного волокна изгибает его и ослабляет сигнал, делая вторжение обнаруживаемым. Медь выигрывает по стоимости подключения, простоте терминирования и способности передавать питание с данными по одной и той же паре, поэтому медь по-прежнему доминирует на последних нескольких метрах в большинстве систем. Даже в меди качество сигнала определяется химическим составом изоляции: полиэтиленовые диэлектрики с низкой диэлектрической проницаемостью уменьшают емкость, которая ослабляет высокочастотные сигналы. Этот принцип подробно рассматривается в нашей статье. как материалы с низкой диэлектрической проницаемостью обеспечивают стабильную передачу .

Если вы выбираете волокно или гибридный композит, проверьте следующие моменты, прежде чем сравнивать цены:

• Рейтинг затухания на вашей рабочей длине волны, в дБ/км, в соответствии с бюджетом вашей линии связи.
• Минимальный радиус изгиба , обычно в 10–20 раз больше диаметра оболочки, а конструкции с более малым радиусом имеют значение в буксирных цепях и движущемся оборудовании.
• Материал куртки : малодымный, безгалогенный для закрытых общественных помещений, УФ-стабилизированный полиэтилен для наружных работ, маслостойкие составы для промышленных полов.
• Количество и тип волокон : разрешить запасные волокна, так как кабель с 8 стоит немногим дороже, чем кабель с 4, но перетягивание позже обходится в копеечку.
• Механическая защита , например, броня, там, где существует реальный риск раздавливания или появления грызунов.

PRAP3 Экранированный сигнальный кабель тройного датчика Благодаря групповому и общему экранированию для трехжильной сбалансированной передачи, PRAP3 обеспечивает чистоту сигналов энкодера и датчиков на автоматизированных производственных линиях, где шум инвертора является проблемой, что делает его подходящим выбором наряду со спецификациями композитного кабеля. Посмотреть продукт →

Рабочий ответ на вопрос «как работает оптический кабель» умещается в одном предложении: передатчик превращает данные в синхронизированные импульсы света, полное внутреннее отражение улавливает эти импульсы внутри стеклянного сердечника и переносит их с минимальными потерями, а приемник превращает свет обратно в данные. Все остальное, от химического состава оболочки и выбора длины волны до материала оболочки, существует для того, чтобы служить этому приговору. Если вы планируете маршрут, сочетающий в себе мощность и связь, начните с расстояния, окружающей среды и электромагнитных условий, а затем сопоставьте структуру кабеля с этими тремя фактами. Производитель, который проектирует как медные, так и оптические конструкции под одной крышей, обычно может предложить композитную конструкцию, которая полностью избавит вас от необходимости второй попытки, а рассмотрение бюджетов потерь и экологических требований с поставщиком, прежде чем вы доработаете спецификацию, является самой дешевой страховкой, которую вы можете купить.