Какво е оптичен кабел?

Дефиниция

Оптическата нишка е тънка и гъвкава нишка, изработена от стъкло (силици) или пластмаса, предназначена специално за пренос на оптически (светлинни) сигнали. Въпреки деликатния си вид, диаметърът на оптическата нишка обикновено е по-голям от диаметъра на човешка коса.

По-точно, оптическата нишка функционира като вълновод, позволяващ пренос на електромагнитни вълни във формата на светлина при оптически честоти. Това уникално свойство й позволява да пренася информация на дълги разстояния с висока ефективност и минимална загуба на сигнала, което я прави ключов елемент в съвременните технологии за комуникации.

Структура на оптическата нишка

Оптическата нишка е основно съставена от две ключови компонента: ядрото и облицовката. Ядрото, цилиндрична диелектрична структура, изработена главно от стъкло, служи като път за пропагацията на светлината. В този централен регион се движеят оптическите сигнали, насочвани от принципите на тоталното вътрешно отражение. Обкръжаващо ядрото е облицовката, обикновено изработена от пластмаса. Облицовката играе важна роля в ограничаването на светлината в ядрото, гарантирайки, че оптическите сигнали остават непокътнати и могат да бъдат предадени на удължени разстояния без значителна утечка или декаденция.

Начертаната фигура по-долу илюстрира подробната структура на оптическата нишка, подчертавайки различните слоеве на ядрото и облицовката и техните резpective роли в осигуряване на ефективен пренос на светлина.

Подробности за структура и функционалност

Цялата сборка на оптическата нишка е облечена в еластична обвивка, която служи като защитен слой. Тази обвивка пази нишката от физически повреди, околната среда и механични напрежения, гарантирайки нейната целост при инсталация, експлоатация и обработка.

Важно е да се отбележи, че в оптическите нишки, облицовката не допринася директно за преноса на светлинни вълни; вместо това, светлината се движи единствено през ядрото. Но, комбинацията от ядрото и облицовката е съществена за минимизиране на загубите на сигнала, причинени от разсеяване. Това е така, защото разликата в показателите на пречупване между двете компоненти позволява ефективно насочване на светлината. Конкретно, показателят на пречупване на ядрото трябва да е по-висок от този на облицовката. Тази разлика в показателите на пречупване е основният принцип, който позволява ефективен пренос на светлина в нишката.

Пренос на светлина в оптическите нишки

Оптическите нишки са проектирани да предават сигнали във формата на светлина (фотони). Възниква въпросът: как всъщност светлината се движи през оптическата нишка? Отговорът лежи в феномена на тоталното вътрешно отражение.

Когато светлината влезе в оптическата нишка, тя се движи през ядрото, докато постоянно се отразява от облицовката. Тези отражения са тотални вътрешни отражения, които се случват при специфични условия. Както беше споменато в контекста на тоталното вътрешно отражение, този феномен се случва, когато светлината се движи от материал с по-висок показател на пречупване (по-плътното ядро) към материал с по-нисък показател на пречупване (по-рядката облицовка) под ъгъл на падане, по-голям от критичния ъгъл.

При такъв ъгъл на падане, вместо да бъде пречупена в облицовката, светлината продължава да се движи през ядрото, като прави последователни отражения. Цилиндричната форма на ядрото, с неговия относително малък диаметър, гарантира, че само минимално количество светлина се отразява от интерфейса ядро-облицовка. Това, от своя страна, гарантира, че ъгълът на падане на светлинния лъч остава постоянно по-голям от критичния ъгъл, позволявайки светлината да бъде ефективно насочена по дължината на нишката.

Режими на пренос в оптическите нишки

Когато светлината се движи по оптическата нишка, тя може да следва или един път, или много пътища, докато се движи през ядрото. По същество, "режимите" на пренос се отнасят до броя на различните пътища, които светлинния лъч може да следва, докато се движи през нишката. Има два основни режима на пренос в оптическите нишки:

Едномодова нишка

В едномодовата нишка, светлинните лъчи се движат през нишката само по един път. Този единичен път на вълновия пренос значително намалява искажението на сигнала по време на процеса на прехвърляне. Тъй като няма множество пътища, по които светлинните лъчи да се движат, целостта на сигнала може да бъде запазена на дълги разстояния, гарантирайки високо качество на комуникацията.

Ядрото на едномодовата нишка има много малък диаметър, което изисква използването на силно фокусиран светлинен лъч. Затова, лазерни източници на светлина са широко използвани, тъй като те могат да излъчват остър, когерентен лъч, който може ефективно да се движи през тясното ядро без значителна дивергенция или разсеяние.

Мултимодова нишка

Мултимодовите нишки имат ядро с диаметър, който е значително по-голям в сравнение с този на едномодовите нишки. Този по-широко ядро позволява на светлинните лъчи да се движат по множество пътища в ядрото. Въпреки че това свойство позволява на нишката да пренася повече светлина едновременно, то също увеличава вероятността за разсеяване и затихване на сигнала. Разсеяването на сигнала се случва, когато различните светлинни лъчи, движещи се по различни пътища в ядрото, достигат до дестинацията в леко различни моменти, размивайки сигнала. Затихването, или ослабяването на сигнала, също е по-изразено в мултимодовите нишки поради фактори като разсеяване и абсорбция в по-голямото ядро. Но, по-широкият диаметър на ядрото предоставя преимуществото да се разположат няколко пренасящи пътища за светлинните вълни, което го прави подходящо за приложения, където простотата и по-ниската цена са приоритет над изключително дългите разстояния и високата пропускна способност.

Какво са стъклени нишки?

Стъклото е аморфно твърдо вещество, характеризирано с твърдост, прозрачност и хрупкост. То се създава чрез процеса на топене на комбинация от материали, след което бързо се охлажда (квентиране). В противоположност на кристалните твърди вещества, стъклото няма добре дефинирана, регулярна молекулярна структура. Вместо това, молекулите му са подредени в разбъркан, произволен модел.

Стъклото притежава уникална характеристика: изменението на неговата материя води до съответни промени в неговите свойства. Тази приспособяемост в свойствата прави стъклото универсален материал, особено когато става дума за изработване на оптически нишки с персонализирани работни характеристики.

Преимущества на оптическите нишки

• Пренос на сигнали, устойчиви на искажение: Оптическите нишки позволяват пропагацията на светлинни вълни, което позволява сигналите да бъдат предавани с изключителна устойчивост към искажение. Това гарантира, че целостта на предаваната информация остава непокътната, дори на удължени разстояния.

• Сигурна и дългодистанционна комуникация: Тези нишки предоставят сигурен начин за предаване на данни на дълги разстояния. Природата на предаването на светлинни вълни в нишката ограничава сигнала, намалявайки риска от перехващане и интерференция, което ги прави идеални за приложения, където сигурността на данните е от решаващо значение.

• Удължен живот: В сравнение с други видове кабели за предаване, оптическите нишки имат значително по-дълъг срок на ползване. Их устойчивост и съпротива срещу износ и изчерпване допринасят за способността им да поддържат надеждна производителност в продължение на удължен период, минимизирайки необходимостта от често заменяне.

Недостатъци на оптическите нишки

• Високи разходи за инсталация и поддръжка: Първоначалната инсталация и постоянната поддръжка на системи с оптически нишки могат да бъдат относително скъпи. Това включва разходите за специализирано оборудване, квалифицирана работна сила за инсталация и регулярна поддръжка, за да се гарантира оптималната производителност.

• Уязвимост към околната среда: В резултат на тяхната хрупкост, оптическите нишки изискват подобрена защита от околната среда. Изложението на физическо напрежение, екстремни температури, влага и други околни фактори може потенциално да повреди нишките и да прекъсне предаването на сигнала.

• Необходимост от повторители: Въпреки че оптическите нишки могат да предават сигнали на дълги разстояния с минимална деформация, често е необходимо използването на повторители по време на предаването на сигнала. Тези повторители усиляват и регенериращи сигнала, за да компенсират всяка декаденция, която се случва на разстояние, добавяйки към сложността и разходите на общата система.

Оптическите нишки обикновено се изработват от силици поради неговите превъзходни експлуатационни характеристики. Силициумът е химически стабилен материал, който му позволява да издържа сурови околни условия без значителна декаденция. Неговата стабилност и оптически свойства го правят предпочитания материал за приложенията в оптическата комуникация, гарантирайки надеждно и ефективно предаване на сигнали.