Оптическое волокно: кварцевые и не только / Блог компании ЭФО / Хабр

Содержание

кварцевые и не только / Блог компании ЭФО / Хабр

Время от времени на Хабре появляются различные статьи на тему волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), что неудивительно, поскольку оптическая связь сегодня является одним из основных способов передачи информации. Оптические линии связи успешно конкурируют с традиционными медными линиями и беспроводными технологиями. Именно оптическому волокну мы во многом обязаны резким увеличением объема и скорости передаваемой по всему миру информации за последние годы и, в частности, развитием Интернета. Более того, с каждым годом оптическое волокно становится все ближе к потребителю и осваивает все новые сферы применения.


Мы уверены, что каждый уважающий себя IT-специалист должен иметь хотя бы общее представление о ВОЛС, независимо от того, чем конкретно он занимается. Предлагаемая вашему вниманию статья посвящена разновидностям и классификации оптических волокон. Конечно, сейчас можно легко найти очень много разной информации на эту тему. Но, как вы увидите дальше, и нам есть что рассказать. Тем более что на Хабре пока тема оптического волокна освещена, как нам кажется, в недостаточной степени.


Компания «ЭФО» занимается поставками импортных электронных компонентов на российский рынок с 1991 года. Последние 15 лет (с 2001 г.) наша программа поставок включает волоконно-оптические и оптоэлектронные компоненты. Исторически сложилось, что основными нашими клиентами являются представители разных отраслей промышленности.

«ЭФО» имеет несколько специализированных сайтов под разные группы продукции. Оптической связи посвящен сайт infiber.ru, которым занимаются сотрудники Отдела волоконно-оптических компонентов. Сайт содержит каталог волоконно-оптической продукции, которую мы поставляем. Также здесь публикуются новости производителей и статьи, написанные сотрудниками отдела. Наш сайт создан недавно, но активно развивается.


Как уже упоминалось, в этой статье мы хотели рассказать не столько о самом оптическом волокне, сколько о его разновидностях и классификации. Большинство читателей, скорее всего, знает разницу между одномодом и многомодом, но мы хотим дать более детальную информацию, чтобы Вы могли легко ориентироваться в многообразии современных волокон и их свойствах и не испытывали затруднений с вопросами, которые возникают в практической работе, например:


  • Что означает OM4 в спецификации к оптическому волокну и чем оно отличается от OM1, OM2 и OM3?
  • Какие материалы используются при производстве волокон и кабелей? Что такое пластиковое оптическое волокно?
  • Где следует использовать волокно со смещенной дисперсией и в каких случаях дисперсия должна быть нулевой?
  • Что означают аббревиатуры POF и HCS (PCS)?

Опыт общения с заказчиками показывает, что эти и другие вещи, связанные с классификацией волокон, известны далеко не всем (напомним, наши клиенты в основном работают в промышленности и чаще всего являются специалистами каждый в своей области). Поэтому считаем, что подобная информация будет крайне полезной. Очень надеемся, что одной статьей наше совместное обсуждение темы ВОЛС на Хабре не закончится.

Немного забегая вперед, отметим, что одной из главных особенностей этой статьи мы считаем знакомство читателей с волокнами POF и HCS, поскольку 1) эти волокна набирают все большую популярность в промышленности и других сферах и 2) в отличие от традиционных кварцевых волокон они не так хорошо освещены в русскоязычном интернете.

И последнее. Недавно мы разместили на нашем сайте пять статей, в которых более подробно рассказывается об оптическом волокне и его основных типах. Кому информации, изложенной ниже, окажется недостаточно, добро пожаловать к нам на сайт!


Исходя из поставленной задачи (представить классификацию оптических волокон), мы не хотели бы сильно углубляться в теоретические основы волоконно-оптической связи. Но для того чтобы информация была понятна широкому кругу читателей, начнем все-таки с того, что представляет собой оптическое волокно, каким образом по нему передается сигнал и каковы его некоторые основные характеристики.

Оптическое волокно (оптоволокно) – это волновод с круглым поперечным сечением, по которому передается электромагнитное излучение оптического диапазона (обычно ближний ИК и видимый свет). Оптическое волокно состоит из двух основных частей: сердцевины и оптической оболочки. Диаметр этой структуры сравним с толщиной человеческого волоса. Сверху на оптоволокно наносится защитное акриловое покрытие. Для дальнейшей защиты используются различные упрочняющие и защитные элементы. Конструкция, содержащая одно или несколько оптических волокон и различные защитные элементы, покрытые общей оболочкой, называется

волоконно-оптическим кабелем.


Информационный сигнал передается по оптическому волокну в виде модулированного светового излучения. Благодаря явлению полного внутреннего отражения (вспомните школьный курс геометрической оптики), свет, попавший в оптоволокно, распространяется по нему на большие расстояния. Сердцевина и оптическая оболочка волокна изготавливаются из материалов с незначительно отличающимися показателями преломления (показатель преломления сердцевины больше). Поэтому световые волны, попавшие в сердцевину под углами, меньшими некоторого критического значения, многократно переотражаются от оболочки. Если при этом выполняются условия для распространения в волноводе (свет – это не только поток частиц, но и электромагнитная волна), то такие световые волны, называемые

модами, распространяются на значительные расстояния.


Помимо разницы между показателями преломления сердцевины и оболочки важную роль играет профиль показателя преломления сердцевины, то есть зависимость величины показателя преломления от радиуса поперечного сечения оптоволокна. Если показатель преломления остается одинаковым во всех точках сечения сердцевины, такой профиль называется ступенчатым, если плавно уменьшается от центральной оси к оболочке, – градиентным. Встречаются и более сложные профили. Профиль показателя преломления оказывает большое влияние на характеристики оптического волокна как среды передачи информации.


Среди большого числа характеристик и параметров, описывающих оптическое волокно как среду передачи данных, отметим наиболее важные – затухание (потери) и дисперсию.

Затухание – это постепенное ослабление мощности оптического сигнала по мере распространения по оптоволокну, вызванное разными физическими процессами. Величина затухания имеет сложную зависимость от длины волны излучения и измеряется в дБ/км. Затухание служит одним из главных факторов, ограничивающих дальность передачи сигнала по оптическому волокну (без ретрансляции).

Дисперсия – это уширение оптического импульса, передаваемого по оптоволокну, во времени. При высокой частоте следования импульсов такое уширение на некотором расстоянии от передатчика приводит к перекрыванию соседних импульсов и ошибочному приему данных. Дисперсия ограничивает как дальность, так и скорость передачи информации.



Рассказав (или напомнив) читателю об этих базовых понятиях, перейдем к тому, ради чего все это излагалось, – к классификации оптических волокон. Существует огромное количество различных оптических волокон, поэтому сразу сделаем оговорку, что мы не будем касаться так называемых специальных волокон, используемых в научных исследованиях и разных специфических применениях, а также волокон, которые пока являются скорее технологиями будущего. Мы сосредоточимся на тех типах оптических волокон, которые уже сегодня широко используются в телекоммуникациях. А таких типа четыре.

Основными критериями, по которым проводится классификация, можно считать следующие два:


  • Материал, из которого изготавливается сердцевина и оптическая оболочка. Оптоволокно может изготавливаться не только из кварцевого стекла, но и из других материалов, в частности из полимеров.
  • Количество распространяющихся мод. В зависимости от геометрических размеров сердцевины и оболочки и величины показателя преломления в оптическом волокне может распространяться только одна или же большое количество пространственных мод. Поэтому все оптические волокна делят на два больших класса: одномодовые и многомодовые.

Таким образом, можно выделить четыре больших класса оптических волокон (ссылки ведут к соответствующим статьям на infiber.ru):


  1. Кварцевое многомодовое волокно.
  2. Кварцевое одномодовое волокно.
  3. Пластиковое, или полимерное, оптическое волокно (POF).
  4. Кварцевое волокно с полимерной оболочкой (HCS).

На рисунке ниже изображены поперечные сечения этих четырех типов волокон (соотношение размеров сохранено).


Поговорим подробнее о каждом из этих типов.


1. Кварцевое многомодовое волокно

Кварцевые волокна являются самым известным и распространенным типом оптических волокон. Поскольку многомодовые и одномодовые кварцевые волокна сильно отличаются по своим характеристикам и применению, удобнее рассмотреть их по отдельности.

Многомодовое кварцевое волокно имеет и сердцевину, и оптическую оболочку из кварцевого стекла. Как правило, такое оптоволокно имеет градиентный профиль показателя преломления. Это необходимо, чтобы снизить влияние межмодовой дисперсии. Как было показано выше, моды распространяются в оптическом волокне по разным траекториям, а значит, время распространения каждой моды также отличается. Это приводит к уширению передаваемого импульса. Градиентный профиль уменьшает разницу во времени распространения мод. За счет плавного изменения показателя преломления моды высшего порядка, которые попадают в волокно под бо́льшим углом и распространяются по более длинным траекториям, имеют и бо́льшую скорость, чем те, которые распространяются вблизи сердцевины. Полностью устранить влияние межмодовой дисперсии невозможно, поэтому многомодовое волокно уступает одномодовому по дальности и скорости передачи информации.


Рабочими для многомодового волокна обычно являются длины волн 850 и 1300 (1310) нм. Типичное затухание на этих длинах волн – 3,5 и 1,5 дБ/км соответственно.

Классификация. Кварцевое многомодовое волокно было первым типом волокна, которое стало широко применяться на практике. Распространение получили два стандартных размера многомодовых волокон (диаметр сердцевины/оболочки): 62,5/125 мкм и 50/125 мкм.

Общепринятая классификация многомодовых кварцевых волокон приводится в стандарте ISO/IEC 11801. Этот стандарт выделяет четыре класса многомодовых волокон (OM – Optical Multimode), отличающиеся шириной полосы пропускания (параметр, характеризующий межмодовую дисперсию и определяющий скорость передачи информации):


  • OM1 – стандартное многомодовое волокно 62,5/125 мкм;
  • OM2 – стандартное многомодовое волокно 50/125 мкм;
  • OM3 – многомодовое волокно 50/125 мкм, оптимизированное для работы с лазером;
  • OM4 – многомодовое волокно 50/125 мкм, оптимизированное для работы с лазером, с улучшенными характеристиками.

Фраза «оптимизированное для работы с лазером» напоминает о том, что изначальна для передачи сигнала по многомодовому волокну использовались светодиоды (LED). С появлением полупроводниковых лазеров стали разрабатываться волокна более совершенной структуры, названные оптимизированными для работы с лазерами.

Применение. Многомодовое волокно применяется в непротяженных линиях связи (обычно сотни метров), причем волокно 50/125 мкм (OM2, OM3, OM4) используется в основном в локальных сетях и дата-центрах, а волокно 62,5/125 мкм часто применяется в индустриальных сетях. В гигабитных приложениях рекомендуется применять волокна классов OM3 и OM4. Причина, по которой многомодовое волокно до сих пор не вытеснено одномодовым волокном, обладающим лучшими характеристиками, заключается в меньшей стоимости компонентов линии (активное оборудование, соединительные изделия). Цена снижается из-за большего диаметра сердцевины многомодового волокна, и, соответственно, меньших требований к точности изготовления и монтажа компонентов.


2. Кварцевое одномодовое волокно

В одномодовом волокне, как следует из названия, распространяется только одна (основная) мода излучения. Это достигается за счет очень маленького диаметра сердцевины (обычно 8-10 мкм). Диаметр оптической оболочки такой же, как и у многомодового волокна – 125 мкм. Отсутствие других мод положительно сказывается на характеристиках оптоволокна (нет межмодовой дисперсии), увеличивая дальность передачи без ретрансляции до сотен километров и скорость до десятков Гбит/с (приводим стандартные значения, а не те «рекордные», которые достигаются в исследовательских лабораториях). Затухание в одномодовом волокне также крайне низкое (менее 0,4 дБ/км).


Диапазон длин волн для одномодового волокна достаточно широк. Обычно передача осуществляется на длинах волн 1310 и 1550 нм. При использовании технологии спектрального уплотнения каналов используются и другие длины волн (об этом чуть ниже).

Классификация. Ассортимент кварцевых одномодовых волокон весьма разнообразен. Международный стандарт ISO/IEC 11801 и европейский EN 50173 по аналогии с многомодовым волокном выделяют два больших класса одномодовых волокон: OS1 и OS2 (OS – Optical Single-mode). Однако в связи с существующей путаницей, связанной с этим делением, не рекомендуем ориентироваться на эту классификацию. Гораздо более информативными являются рекомендации ITU-T G.652-657, выделяющие больше типов одномодовых волокон.

В таблице ниже представлена краткая характеристика этих волокон и их применение. Но прежде – пара комментариев. Межмодовая дисперсия, отсутствующая в одномодовом волокне, является не единственным механизмом уширения оптического импульса. В одномодовом волокне на первый план выходят другие механизмы, прежде всего, хроматическая дисперсия, связанная с тем, что ни один источник излучения (даже лазер) не испускает строго монохроматичное излучение. При этом существует длина волны, при которой коэффициент хроматической дисперсии равен нулю. В большинстве случае работа на этой длине волны оказывается предпочтительной, но не всегда.


Тип волокна Описание Применение
G. 652. Одномодовое волокно с несмещенной дисперсией Наиболее распространенный тип одномодового волокна с точкой нулевой дисперсии на длине волны 1300 нм. Различают 4 подкласса (A, B, C и D). Волокна G.652.C и G.652.D отличаются низким затуханием вблизи «водного пика» («водным пиком» называют область большого затухания в стандартном волокне около длины волны 1383 нм). Стандартные области применения.
G.653. Одномодовое волокно с нулевой смещенной дисперсией Точка нулевой дисперсии смещена на длину волны 1550 нм. Передача на длине волны 1550 нм.
G.654. Одномодовое волокно со смещенной длиной волны отсечки Длина отсечки (минимальная длина волны, при которой волокно распространяет одну моду) смещена в область длин волн около 1550 нм. Передача на длине волны 1550 нм на очень большие расстояния. Магистральные подводные кабели.
G.655. Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией Это волокно имеет небольшое, но не нулевое, значение дисперсии в диапазоне 1530-1565 нм (ненулевая дисперсия уменьшает нелинейные эффекты при одновременном распространении нескольких сигналов на разных длинах волн). Линии передачи со спектральным уплотнением каналов (DWDM).
G.656. Одномодовое волокно c ненулевой смещенной дисперсией для широкополосной передачи Ненулевая дисперсия в диапазоне длин волн 1460-1625 нм. Линии передачи со спектральным уплотнением каналов (CWDM/DWDM).
G.657. Одномодовое волокно, не чувствительное к потерям на макроизгибе Волокно с уменьшенным минимальным радиусом изгиба и с меньшими потерями на изгибе. Выделяют несколько подклассов. Для прокладывания в ограниченном пространстве.

Применение. Одномодовое кварцевое волокно, безусловно, является самым распространенным типом оптоволокна. С его помощью можно организовать передачу высокоскоростного сигнала на очень большие расстояния, а применение технологии спектрального уплотнения каналов (CWDM/DWDM) позволяет в разы увеличить пропускную способность линии связи. Одномодовое волокно часто применяется и на коротких дистанциях, например, в локальных сетях.


3. Пластиковое оптическое волокно (POF)

О кварцевом оптическом волокне знают практически все. Но помимо него существует еще два типа оптических волокон, заслуживающие внимания. Прежде всего, речь идет о пластиковом, или полимерном, оптическом волокне (POF – Plastic/Polymer Optical Fiber). Это многомодовое волокно большого диаметра со ступенчатым показателем преломления, сердцевина и оболочка которого изготовлены из полимерных материалов, прежде всего, из полиметилметакрилата (по-простому, оргстекла). Чаще всего можно встретить POF с соотношением диаметров сердцевины и оболочки 980/1000 мкм.

В сравнении с кварцевым волокном POF имеет очень большие потери (100-200 дБ/км). С другой стороны, минимум потерь находится в видимом диапазоне (520, 560 и 650 нм). Это, а также очень большой размер поперечного сечения, позволяет использовать в качестве источников излучения дешевые светодиоды. Большой диаметр также значительно упрощает процесс работы с пластиковым волокном. Процесс изготовления патч-корда (оптического шнура) требует меньших навыков и времени, а все необходимые приспособления имеют значительно меньшую стоимость. На рисунке ниже представлены пластиковые патч-корды с коннекторами семейства Versatile Link (VL) от компании Broadcom Limited (ранее Avago Technologies).


Таким образом, главные преимущества пластикового волокна – это низкая стоимость компонентов и простота работы с ним. При этом POF присущи все те особенности оптического волокна, которые дают ему преимущества перед другими видами связи. В их числе невосприимчивость к электромагнитному излучению и изолирующие свойства (защита от высоких напряжений), меньшие габариты и вес.

Классификация. Хотя выпускаемые пластиковые волокна отличаются по размеру, используемым полимерам, профилю показателя преломления и другим параметрам, подавляющую часть всех пластиковых волокон составляет POF 980/1000 мкм из полиметилметакрилата.

Применение. Область применения POF – короткие низкоскоростные линии связи (до 200 Мбит/с на несколько десятков метров). Преимущества POF проявляются в тех случаях, когда простота эксплуатации и низкая стоимость линии связи важнее, чем характеристики самой передачи. POF часто используется в промышленных линиях связи, автомобильной электронике, медицине и разного рода датчиках. Кроме того, пластиковое волокно может с успехов применяться и в различных специальных/корпоративных сетях передачи данных, например, для связи в пределах квартиры или офиса (к слову, эта область применения в России пока только начинает развиваться).


4. Кварцевое волокно с полимерной оболочкой (HCS)

И, наконец, последний тип оптического волокна, с которым мы бы хотели познакомить читателей, представляет собой нечто среднее (во всех отношениях) между кварцевым и пластиковым волокном. У этого типа волокна много названий, но мы привыкли называть его кварцевым волокном с полимерной (жесткой) оболочкой и обозначать HCS (Hard Clad Silica). Также распространена аббревиатура PCS (Polymer Clad Silica).

HCS-волокно – это многомодовое оптическое волокно большого диаметра с сердцевиной из кварцевого стекла и оболочкой из полимерного материала. Наибольшее распространение в телекоммуникациях получило HCS-волокно с диаметром сердцевины и оболочки 200/230 мкм и ступенчатым показателем преломления. В других областях, таких как медицина и научные исследования, могут использоваться HCS-волокна с бо́льшим диаметром сердцевины (300, 400, 500 мкм…).


По своим оптическим характеристикам HCS-волокно также занимает промежуточное положение между кварцевым оптоволокном и POF. Минимум затухания стандартного HCS-волокна приходится на длину волны 850 нм и составляет единицы-десятки дБ/км. Для работы с HCS-волокном часто можно использовать те же активные компоненты, что и для POF (с длиной волны 650 нм) или для многомодового кварцевого волокна (светодиоды с длиной волны 850 нм).

Достаточно большой размер HCS-волокна, как и в случае POF, упрощает и удешевляет процесс работы с ним.

Классификация. Как уже упоминалось, в телекоммуникациях в основном используется HCS-волокно 200/230 мкм.

Применение. В целом, области применения HCS схожи с областями применения POF, с той лишь только разницей, что расстояние передачи при использовании HCS-волокна увеличивается до нескольких километров (благодаря меньшему затуханию).


Подведем итоги. Как видим, зачастую выбор оптического волокна для создания линии связи не ограничивается выбором одномод VS многомод. Ассортимент оптических волокон достаточно разнообразен, и в зависимости от ситуации наилучшим решением может оказаться использование того или иного типа волокна из тех, что были описаны в данной статье.

Напоследок благодарим всех читателей за внимание. Надеемся, что статья оказалась не только познавательной, но и полезной (или окажется таковой в будущем). С нетерпением ждем комментариев и вопросов.

Оптическое волокно клеевым способом | Hyperline

Шаг 1

Для работы вам понадобятся: кабель Hyperline волоконно-оптический многомодовый внутренний, 4 жилы; проходные соединители Hyperline SC-SC, MM, simplex; разъемы клеевые Hyperline SC-MM-0.9 SC, MM, 0,9 мм, simplex; инструмент для зачистки волокна диаметром 125/250 Hyperline HT-223H; устройство для зачистки и обрезки кабеля Hyperline HT-S501A; инструмент для обрезки кевлара Hyperline HT-C151; ручка-скалыватель; безворсовые салфетки; спиртовой раствор для очистки поверхностей; столик для полировки с резиновой подложкой; оправка для полировки коннекторов; TRA-CON клей Tra-Bond F123; шприц с иглой для эпоксидной смолы; шлифовальная бумага 1 мкм, 3 мкм и 5 мкм (или набор инструментов для оконцовки оптического кабеля HT-K3032).
А также: бокс оптический 19" на 8 SC со сплайс-пластиной, выдвижной; стяжки нейлоновые неоткрывающиеся Hyperline GT-140MC, наклейки для маркировки Hyperline WMB-1, шлицевая отвертка для монтажных работ; печка для нагревания разъемов со встроенным терморегулятором; микроскоп.


Шаг 2

Снимите с помощью отвертки верхнюю крышку и защиту кабельного ввода на задней панели оптического бокса.


Шаг 3

В данной модели оптического бокса для удобства монтажа и эксплуатации коммутационная часть выдвигается из корпуса шкафа. Бокс предназначен для монтажа в 19-дюймовый конструктив. Для предотвращения несанкционированного доступа выдвижная часть закрывается на ключ.


Шаг 4

Протяните волоконно-оптический кабель Hyperline в оптический бокс через отверстие кабельного ввода.


Шаг 5

Необходимо зачистить кабель не менее чем на 2 метра. Для этого инструментом надо сделать один полный оборот вокруг кабеля и снять подрезанную часть оболочки. В данном случае зачистка кабеля проводилась устройством для зачистки и обрезки витой пары Hyperline HT-S501A.


Шаг 6

Закрепите кабель нейлоновыми стяжками Hyperline GT-140MC внутри бокса за внешнюю оболочку.


Шаг 7

В боксе должно быть уложено не мене 1,5 метров оптического волокна, для повторной разделки в случае необходимости.


Шаг 8

Для максимально надежного крепления кабеля зафиксируйте кевлар в держателе центрального силового элемента. После чего срежьте излишек нити инструментом для обрезки кевлара Hyperline HT-C151.


Шаг 9

Выдвиньте коммутационную часть бокса и уложите оптические шнуры в кабельные организаторы для предотвращения спутывания.


Шаг 10

Снимите защитную прозрачную крышку со сплайс-пластины.


Шаг 11

Удалите со сплайс-пластины держатели для КДЗС (комплект деталей для защиты места сварки). Держатели используются в том случае, если волокно оконцовывается методом сварки. После удаления держателей сплайс-пластина будет использоваться для хранения технологического запаса оптического волокна.


Шаг 12

Приведите выдвижную часть в исходное положение и убедитесь, что кабель надежно зафиксирован в боксе. Закрепите волокно стяжками в отверстиях и в органайзерах.


Шаг 13

Эпоксидный двухкомпонентный клей для оптоволокна должен быть водостойким, не давать усадки, медленно схватываться в обычных условиях и быстро - в условиях высокотемпературной сушки.


Шаг 14

Чтобы подготовить клей к использованию, надо тщательно перемешать оба его компонента разделителем.


Шаг 15

Вскройте упаковку с клеем.


Шаг 16

Перелейте клей (2 г) в шприц.


Шаг 17

Вставьте поршень в шприц.


Шаг 18

Для обеспечения многократного соединения и разъединения оптическое волокно оконцовывается клеевыми разъемами Hyperline SC-MM-0.9 SC, MM, 0,9 мм, simplex. SC - наиболее распространенные типы клеевых разъемов, доступных для использования с любым типом волоконно-оптического кабеля. Имеют прямоугольную форму и штекерный (push-pull) способ подключения. Существуют в одномодовом (sm) и многомодовом (mm) вариантах. Разъем типа SC состоит из четырех частей: внешняя оболочка, хвостовик, основной модуль и колпачок.


Шаг 19

Наденьте на волокно хвостовик клеевого разъема.


Шаг 20

Стриппером снимите буферную оболочку с волокна. Важно не оставить царапин на волокне.


Шаг 21

С помощью безворсовых салфеток, смоченных спиртовым раствором, удалите остатки гидрофобной мастики с волокна. Очищенное таким образом волокно должно скрипеть.


Шаг 22

Снимите с разъема защитный колпачок.


Шаг 23

Вставьте в отверстие модуля разъема шприц и начинайте аккуратно вливать клей.


Шаг 24

Когда на сферической поверхности наконечника (феррула) появится клеевая капелька (означает, что весь канал заполнен), выдавливание клея надо прекратить.


Шаг 25

Аккуратно вставьте зачищенное волокно в разъем до упора. Усилия прилагать не надо, так как волокно может обломиться.


Шаг 26

Наденьте на металлический фланец модуля хвостовик разъема. Таким же образом подготовьте все разъемы.


Шаг 27

Нагрейте печку до 80-100°С. Поместите клеевые разъемы в печку на 5 минут, чтобы клей кристаллизовался.


Шаг 28

Выньте разъемы из печки. Признаком того, что сушка выполнена успешно, является потемнение клея на волокне. Дайте разъемам остыть.


Шаг 29

Скалывание - важная часть процесса оконцовки. Ошибка приводит к порче разъема и возвращению к началу всего процесса. Ручкой-скалывателем проведите надрез волокна по границе клеевой капельки на ферруле. Пальцами аккуратно удалите выступающее волокно.


Шаг 30

Перед полировкой необходимо очистить столик спиртовой салфеткой.


Шаг 31

Положите на столик шлифовальную бумагу (первую крупную шкурку) 5 мкм, черную.


Шаг 32

Вставьте феррул разъема в отверстие оправки (полировочной шайбы), которое должно быть идеально чистым.


Шаг 33

Поставьте оправку на столик и начинайте шлифовать, выполняя 8-образные движения оправкой по поверхности шкурки. Другими движениями проводить полировку нельзя. Полировать надо крайне осторожно. На данном этапе необходимо отшлифовать только остатки волокна, выступающие за границы клеевой капельки. В процессе шлифовки торца наконечника с волокном, волокно как более мягкий материал обрабатывается быстрее и может загибаться в наконечник. При этом не гарантируется хороший оптический контакт двух волокон. В случае недостаточной продолжительности шлифовки, волокно может выступать над поверхностью торца наконечника. Это упрощает возникновение оптического контакта, но со временем волокно может "продавиться" внутрь наконечника и параметры соединения резко ухудшатся.


Шаг 34

Необходимо повторить процесс шлифовки на бумаге коричневого цвета, 3 мкм.


Шаг 35

Заключительный этап шлифовки выполняется на бумаге зеленого цвета, 1 мкм.


Шаг 36

Шлифовка торцов наконечников во многом определяет качество оптического соединения. Поэтому очень важно выполнить тестирование качества полировки с помощью микроскопа. Проверяется отсутствие микроцарапин и остатков клея на ферруле и волокне. Может наблюдаться перекос волокна, глубокий скол или, наоборот, недостаточно обработанный торец. При качественно выполненной шлифовке можно наблюдать в микроскоп равномерно темную (или равномерно светлую) внутреннюю окружность.


Шаг 37

После окончания полировки на феррул надевается защитный колпачок. Пока полируются остальные разъемы, готовые волокна должны быть защищены от возможного попадания грязи.


Шаг 38

Наденьте на модуль разъема внешнюю оболочку с усилием до характерного щелчка.


Шаг 39

Нанесите на каждый разъем клейкие маркеры Hyperline WMB-1.


Шаг 40

Установите на место сплайс-пластину и уложите на нее запас волокна.


Шаг 41

Снимите заглушки с проходных соединителей Hyperline SC-SC, MM, simplex.


Шаг 42

Вставьте проходные соединители в отверстия на передней панели бокса.


Шаг 43

Подсоедините клеевые разъемы к проходным соединителям с внутренней стороны бокса.


Шаг 44

Наденьте прозрачную крышку на сплайс-пластину.


Шаг 45

Установите на место крышку оптического бокса.


Шаг 46

Установите на место защиту кабельного ввода.


Шаг 47

Установите на боковые стенки оптического бокса крепежи для 19-дюймового конструктива.


Шаг 48

Прикрутите к боковым стенкам оптического бокса крепежи для 19-дюймового конструктива. Оптический бокс в сборе.


Шаг 49

Выполните монтаж оптического бокса в 19-дюймовый конструктив, снимите заглушки с внешней стороны проходных соединителей.


Шаг 50

Подключите оптические шнуры с разъемами SC.


Шаг 51

Установите защитный пластиковый экран, предохраняющий от повреждения оптические шнуры, идущие к аппаратуре.


Оптоволокно - это... Что такое Оптоволокно?

Связка оптоволокна. Теоретически, использование передовых технологий, таких как DWDM, со скромным количеством волокон, которое представлено здесь, может дать достаточную пропускную способность, с помощью которой легко было бы передать всю необходимую информацию, в которой нуждается вся планета (около 100 терабит в секунду в одном оптоволокне. )

Оптоволокно — это стеклянная или пластиковая нить, используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения. Волоконная оптика — раздел прикладной науки и машиностроения, описывающий такие волокна. Оптоволокна используются в оптоволоконной связи, которая позволяет передавать цифровую информацию на большие расстояния и с более высокой скоростью передачи данных, чем в электронных средствах связи. В ряде случаев они также используются при создании датчиков.

Простой принцип действия позволяет использовать различные методы, дающие возможность создавать самые разнообразные оптоволокна:

  • Одномодовые оптоволокна
  • Многомодовые оптоволокна
  • Оптоволокна с градиентным показателем преломления
  • Оптоволокна со ступенчатым профилем распределения показателей преломления.

Из-за физических свойств оптоволокна необходимы специальные методы для их соединения с оборудованием. Оптоволокна являются базой для различных типов кабелей, в зависимости от того, где они будут использоваться.

Принцип передачи света внутри оптоволокна был впервые продемонстрирован во времена королевы Виктории (1837—1901 гг.), но развитие современных оптоволокон началось в 1950-х годах. Они стали использоваться в связи несколько позже, в 1970-х; с этого момента технический прогресс значительно увеличил диапазон применения и скорость распространения оптоволокон, а также уменьшил стоимость систем оптоволоконной связи.

Применение

Оптоволоконная связь

Оптоволокно может быть использовано как средство для дальней связи и построения компьютерной сети, вследствие своей гибкости, позволяющей даже завязывать кабель в узел. Несмотря на то, что волокна могут быть сделаны из прозрачного пластичного оптоволокна или кварцевого волокна, волокна, использующиеся для передачи информации на большие расстояния, всегда сделаны из кварцевого стекла, из-за низкого оптического ослабления электромагнитного излучения. В связи используются многомодовые и одномодовые оптоволокна; многомодовое оптоволокно обычно используется на небольших расстояниях (до 500 м), а одномодовое оптоволокно — на длинных дистанциях. Из-за строгого допуска между одномодовым оптоволокном, передатчиком, приемником, усилителем и другими одномодовыми компонентами, их использование обычно дороже, чем применение мультимодовых компонентов.

Оптоволоконный датчик

Оптоволокно может быть использовано как датчик для измерения напряжения, температуры, давления и других параметров. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии, дает оптоволоконным датчикам преимущество перед традиционными электрическими в определенных областях.

Оптоволокно используется в гидрофонах в сейсмических или гидролокационных приборах. Созданы системы с гидрофонами, в которых на волоконный кабель приходится более 100 датчиков. Системы с гидрофоновым датчиком используются в нефтедобывающей промышленности, а также флотом некоторых стран. Немецкая компания лазерный микроскоп, работающий с лазером и оптоволокном[1].

Оптоволоконные датчики, измеряющие температуры и давления, разработаны для измерений в нефтяных скважинах. Оптоволоконные датчики хорошо подходят для такой среды, работая при температурах, слишком высоких для полупроводниковых датчиков (Оптоволоконное измерение температуры).

Разработаны устройства дуговой защиты с волоконно-оптическими датчиками, основными преимуществами которых перед традиционными устройствами дуговой защиты являются: высокое быстродействие, нечувствительность к электромагнитным помехам, гибкость и лёгкость монтажа, диэлектрические свойства.

Другое применение оптоволокна — в качестве датчика в лазерном гироскопе, который используется в Boeing 767 и в некоторых моделях машин (для навигации). Специальные оптические волокна используются в интерферометрических датчиках магнитного поля и электрического тока. Это волокна полученные при вращении заготовки с сильным встроеным двойным лучепреломлением.

Оптоволокно применяется в охранной сигнализации на особо важных объектах (например, ядерное оружие). Когда злоумышленик пытается переместить боеголовку, условия прохождения света через световод изменяются, и срабатывает сигнализация.

Другие применения оптоволокна

Диск фрисби, освещенный оптоволокном

Оптоволокна широко используются для освещения. Они используются как световоды в медицинских и других целях, где яркий свет необходимо доставить в труднодоступную зону. В некоторых зданиях оптоволокна используются для обозначения маршрута с крыши в какую-нибудь часть здания. Оптоволоконное освещение также используется в декоративных целях, включая коммерческую рекламу, искусство и искусственные ёлки.

Оптоволокно также используется для формирования изображения. Когерентный пучок, передаваемый оптоволокном, иногда используется совместно с линзами — например, в эндоскопе, который используется для просмотра объектов через маленькое отверстие.

Примечания

См. также

Литература

  • Gambling, W. A., «The Rise and Rise of Optical Fibers», IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 6, No. 6, pp. 1084–1093, Nov./Dec. 2000
  • Gowar, John, Optical Communication Systems, 2 ed., Prentice-Hall, Hempstead UK, 1993 (ISBN 0-13-638727-6)
  • Hecht, Jeff, City of Light, The Story of Fiber Optics, Oxford University Press, New York, 1999 (ISBN 0-19-510818-3)
  • Hecht, Jeff, Understanding Fiber Optics, 4th ed., Prentice-Hall, Upper Saddle River, NJ, USA 2002 (ISBN 0-13-027828-9)
  • Nagel S. R., MacChesney J. B., Walker K. L., «An Overview of the Modified Chemical Vapor Deposition (MCVD) Process and Performance», IEEE Journal of Quantum Mechanics, Vol. QE-18, No. 4, April 1982
  • Ramaswami, R., Sivarajan, K. N., Optical Networks: A Practical Perspective, Morgan Kaufmann Publishers, San Francisco, 1998 (ISBN 1-55860-445-6)

Ссылки

Wikimedia Foundation. 2010.

Производство оптического волокна – Портфельная компания РОСНАНО

Первый в России завод по производству оптического волокна

Организация первого в России промышленного производства оптического волокна и внедрение на нем последних достижений по созданию наноструктур в оптическом волокне и использованию нанотехнологий для улучшения его свойств

Компания «Оптиковолоконные Системы» производит оптическое волокно для кабелей связи, которые используются телекоммуникационными компаниями для передачи данных. Завод, расположенный в столице Мордовии городе Саранске, запущен в 2015 году. В 4 квартале 2016 года компания приступила к промышленному выпуску оптического волокна. В марте 2018 года суммарный объем выпуска составил 2000 км волокна. 25 сентября 2018 года, в 3-ю годовщину со дня торжественного открытия завода, «Оптиковолоконные Системы» выпустила трехмиллионный километр отечественного оптического волокна. 

Производственные мощности завода составляют 2,4 млн км оптического волокна в год. Продукция покрывает 25% спроса российского рынка оптического волокна. АО «Оптиковолоконные Системы» постепенно наращивает темпы своего производства. До конца следующего года планируется выйти на темпы выпуска 1 млн км оптического волокна в квартал после завершения крайне важного проекта модернизации производства с целью увеличения его мощности до 4 млн км оптического волокна в год.

В декабре 2016 года «Оптиковолоконные Системы» совместно с ПАО «Ростелеком» и ОАО «ВНИИКП» завершила программу тестирования российского оптического волокна собственного производства, а также оптоволоконного кабеля, произведенного с его использованием. По результатам тестирования получены положительные результаты и продукция компании рекомендована к применению в сетях связи ПАО «Ростелеком».

«Оптиковолоконные Системы» также получили сертификат соответствия серийного оптического волокна ключевым международным стандартам МСЭ-Т G652D и IEC 60793–2–50 и прошли сертификацию системы менеджмента качества требованиям ГОСТ Р ИСО 9001–2015 (ISO 9001:2015), что является гарантией соответствия качества отечественного оптического волокна международным и российским стандартам.

До 90% выпускаемой продукции экспортируется. Сегодня компания поставляет свою продукцию в Россию, Беларусь, Китай, Австрию, Великобританию, Чехию и Польшу.

Основные потребители
  • Крупнейшие кабельные заводы Китая, Европы и России
Сфера применения
  • Кабельная промышленность
Конкурентные преимущества
  • Стойкость к воздействию водорода
  • Длительный срок службы
  • Повышенная изгибостойкость
  • Уникальные дисперсионные свойства наноструктурированного волокна на основе фотонных кристаллов
  • Качество на уровне лучших мировых стандартов
  • Конкурентная цена

Оптическое волокно и оптоволоконный интернет. Что это и как подключить?

Оптоволокно - наиболее быстрая на сегодняшний день технология передачи информации в сети интернет. Структура оптического кабеля отличается определёнными особенностями: такой провод состоит из маленьких очень тонких проводков, ограждённых специальным покрытием, которое отделяет один проводок от другого.

По каждому проводку передаётся свет, который передаёт данные. Оптический кабель способен передавать одновременно данные, кроме интернет-соединения, также телевидения и стационарного телефона.

Потому оптоволоконная сеть позволяет пользователю совмещать все 3 услуги одного провайдера, подключая роутер, ПК, телевизор и телефон к единому кабелю.

Другое название оптоволоконного подключения - фиброоптическая связь. Такая связь даёт возможность передавать данные при помощи лазерных лучей на расстояния, измеряемые сотнями километров.

Оптический кабель состоит из мельчайших волокон, диаметр которых составляет тысячные доли сантиметра. Эти волокна передают оптические лучи, которые переносят данные, проходя через сердечник каждого волокна, состоящий из кремния.

Оптические волокна дают возможность установить соединение не только между городами, но и между странами и континентами. Связь по интернету между разными материками поддерживается через оптоволоконные кабели, проложенные по океанскому дну.

Оптоволоконный интернет

Благодаря оптическому кабелю можно настраивать высокоскоростное интернет-соединение, которое играет огромную роль в сегодняшнем мире. Оптоволоконный провод является самой прогрессивной технологией передачи данных по сети.

Плюсы оптического кабеля:

  • Долговечность, высокая пропускная способность, способствующая быстрой передаче данных.
  • Безопасность передачи данных - оптоволокно даёт возможность программам моментально обнаруживать несанкционированный доступ к данным, поэтому доступ к ним для злоумышленников почти исключён.
  • Высокая защищённость от помех, хорошее подавление шума.
  • Особенности строения оптического кабеля делают скорость передачи данных через него в несколько раз выше, чем скорость передачи данных через коаксиальный кабель. Прежде всего это относится к видеофайлам и аудиофайлам.
  • При подключении оптоволокна можно организовать систему, реализующую некоторые дополнительные опции, например, видеонаблюдение.

Однако самым главным достоинством оптоволоконного кабеля является его способность установить соединение объектов, удалённых друг от друга на огромное расстояние. Это возможно благодаря тому, что у оптического кабеля отсутствуют ограничения по длине каналов.

Подключение интернета с помощью оптоволокна

Самый распространённый в РФ интернет, сеть которого функционирует на основе оптоволокна, предоставляется провайдером Ростелеком. Как подключить оптоволоконный интернет?

Сначала следует просто убедиться в том, что оптический кабель подведён к дому. Затем нужно заказать подключение к интернету у провайдера. Последний должен сообщить данные, обеспечивающие подключение. Потом нужно выполнить настройку оборудования.

Она осуществляется так:

  • После проведения оптоволокна и подключения оборудования, обеспечивающего работу в оптических пассивных сетях, сотрудниками фирмы-провайдера, вся последующая настройка выполняется самостоятельно.
  • Прежде всего устанавливаются жёлтый кабель и розетка так, как изображено на рисунке ниже.
  • Можно иметь собственный Wi-Fi роутер, не обязательно приобретать маршрутизатор от Ростелекома. К Wi-Fi подключают оптоволоконный кабель, оптический терминал и основной шнур, посредством которого происходит подключение роутера к оптической розетке.
  • Нужно выбрать для установки всего оборудования как можно более вентилируемое место. Монтажнику из компании-провайдера следует указать, где именно нужно установить элементы сети.

Терминал оборудован специальным гнездом, позволяющим соединяться с компьютером и соединять роутер с интернетом.

Кроме того, терминал имеет 2 дополнительных гнезда, позволяющих подключить к оптоволоконному соединению аналоговый домашний телефон, а также ещё несколько гнёзд предусмотрены для подключения телевидения.

Одномодовое оптическое волокно с сохранением поляризации излучения

Описание

Оптическое волокно, сохраняющее поляризацию введенного в него излучения за счет анизотропии механических напряжений в сердцевине. Данный эффект обеспечивается структурой волокна, в частности, эллиптичной боросиликатной напрягающей оболочкой.

Благодаря эллиптичной напрягающей боросиликатной оболочке, которая создает эффект двулучепреломления в сердцевине оптического волокна, асимметричные напряжения, возникающие вокруг сердцевины волокна, по-разному действуют на показатель преломления в двух ортогональных осях.

В световодах такого типа имеет место разность оптического пути распространения двух ортогонально поляризационных мод.

Оптический путь поляризационной моды вдоль малой оси эллипса (соответственно время распространения этой моды) меньше, чем вдоль большой оси. Поэтому малая ось часто называется «быстрой», а большая ось — «медленной».

В волокно, сохраняющее поляризацию излучения, линейно-поляризованный свет вводится с ориентацией поляризации излучения вдоль одной из осей двулучепреломления. В этом случае состояние поляризации излучения при его распространении в оптическом волокне не изменяется.

Нами разработаны и выпускаются оптические волокна с сохранением поляризации излучения диаметрами 40, 80 и 125 микрон.

Волокно с диаметром кварцевой оболочки 40 мкм предназначено для применения в спектральной области 800–1350 нм. Диаметр волокна в защитном покрытии 65–75 мкм, что позволяет использовать такое волокно для оптимальной минимизации при конструировании навигационных систем и волоконно-оптических гироскопов (ВОГ).

Волокно с диаметром кварцевой оболочки 80 мкм или 125 мкм выпускается для решения задач в области спектра 1300–1600 нм. Диаметр 80 мкм позволяет широко применять данный форм-фактор волокна в разработке малогабаритных ВОГ и специальных датчиков. Волокно произодится как в однослойном, так и в двуслойном защитном акрилатном покрытии.

Нами также разработано и производится фоточувствительное (фоторефрактивное) волокно диаметром 125 микрон.

Фоточувствительное волокно — оптическое волокно, обладающее свойством изменять показатель преломления сердцевины при облучении УФ излучением. Это свойство волокон используется при создании волоконных Брэгговских решёток (ВБР).

Характеристики

Характеристика PM40-810 PM40-1310 PM80-1310 РМ80-1550 PM125-1310 PM125-1550 PM125-1550-PS
Рабочий диапазон, нм 800–1100 1100–1350 1300–1450 1300–1600 1300–1500 1500–1650
Длина волны отсечки высшей моды, нм 650–780 980–1080 1100–1280 1250–1450 1100–1280 1300–1450 1400–1500
Затухание, дБ/км < 10 @ 810 нм < 8 @ 1310 нм < 3 @ 1310 нм < 2 @ 1550 нм < 3 @ 1550 нм < 2 @ 1550 нм
h-параметр, м-1 < 5·10-4 @ 810 нм < 5·10-4 @ 1310 нм < 4·10-5 @ 1310 нм < 2·10-5 @ 1550 нм < 2·10-5 @ 1310 нм < 2·10-5 @ 1550 нм
Длина биений < 1.8 @ 810 нм < 2.5 @ 1310 нм < 3.5 @ 1550 нм < 2.5 @ 1310 нм < 3.5 @ 1550 нм
Диаметр модового поля (1/e2), мкм 2.4±0,2 @ 810 нм 2.6±0,2 @ 1310 нм 6.0±0,5 @ 1310 нм 6.5±0,5 @ 1550 нм 7.5±0,5 @1310 нм 8.0±0,5 @1550 нм 6.0±0,5 @1550 нм
Диаметр светоотражающей оболочки, мкм 40±1 80±1 125±2
Диаметр волокна в первичном защитном покрытии, мкм 70±1 140±5 195±5
Диаметр волокна во вторичном защитном покрытии, мкм 195±5 245±5
Материал сердцевины Легированное кварцевое стекло
Материал оболочки Легированное кварцевое стекло
Материал защитного покрытия УФ-отверждаемый акрилат
Минимальный радиус изгиба при долговременной нагрузке, мм 10 20 30
Proof-Test 1 %
Диапазон рабочих температур, oС -45…+80

Обзор оптических волокон

Одномодовые оптические волокна

С точки зрения дисперсии, существующие одномодовые волокна, которые сегодня широко используются в оптических сетях, разделяются на три основных типа:

  • Стандартное оптическое волокно или волокно с несмещенной дисперсией SF (стандартные волокна со ступенчатым профилем)
  • Волокно со смещенной дисперсией DSF
  • Оптическое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF

Все три типа волокон очень близки по затуханию в окнах одномодовой передачи 1310 и 1550 нм, но отличаются характеристиками хроматической дисперсии. Поскольку дисперсия влияет на максимальную допустимую длину безретрансляционных участков, то на первый взгляд, естественно, возникает желание выбрать волокно с наименьшим возможным значением дисперсии применительно к конкретной задаче, к конкретной длине волны. Это справедливо для случая передачи одной длины волны — одноканальной передачи. Многоканальное волновое мультиплексирование (WDM) в окне 1550 нм диктует иной рационализм. Исследования показывают, что, когда длина волны нулевой дисперсии попадает в зону мультиплексного сигнала, начинают проявляться нежелательные интерференционные эффекты, приводящие к более быстрой деградации сигнала. Поэтому, поставщики средств связи должны отчетливо представлять себе преимущества и недостатки каждого волокна в аспекте эволюции традиционных сетей к полностью оптическим сетям.

Стандартное ступенчатое одномодовое волокно с несмещенной дисперсией (G.652)

В начале 80-х годов передатчики на длину волны 1550 нм имели очень высокую цену и низкую надежность и не могли конкурировать на рынке с передатчиками на длине волны 1300 нм. Поэтому cтандартное ступенчатое одномодовое волокно с несмещенной дисперсией классифицируемое стандартом G652, стало первым коммерческим волокном и сейчас наиболее широко распространенно в телекоммуникационных сетях. Его параметры оптимизированы для диапазона длин волн 1,31 мкм, в котором волокно имеет нулевую хроматическую дисперсию и небольшое значение затуханий. Диаметр световедущей жилы волокна — G.652 равен 9 мкм, а оболочки — 125±2 мкм. Это волокно используется для одноволновой и многоволновой передачи (спектральное уплотнение), в том числе в диапазоне длин волн 1,55 мкм и обеспечивает передачу информации со скоростями до 10 Гбит/с на средние расстояния (до 50 км).

Одномодовый режим в одномодовом волокне реализуется в окнах прозрачности 1310 и 1550 нм. Распространение только одной моды устраняет межмодовую дисперсию и обеспечивает очень высокую пропускную способность одномодового волокна в этих окнах прозрачности. Наилучший режим распространения с точки зрения дисперсии достигается в окрестности длины волны 1310 нм, когда хроматическая дисперсия обращается в ноль. С точки зрения потерь это не самое лучшее окно прозрачности. В этом окне потери составляют 0,3-0,4 дБ/км, в то время как наименьшее затухание 0,2-0,25 дБ/км достигается в окне 1550 нм.

Одномодовое волокно со смешенной дисперсией (G.653)

Стандарт G.653 распространяется на одномодовое волокно со смещенной нулевой дисперсией в области l=1,55 мкм. Это волокно имеет нулевую дисперсию в области минимальных потерь волокна, что достигается за счет более сложной структуры световедущей жилы, а именно специально заданному распределению коэффициента преломления по диаметру жилы. Волокно типа G.653 используется в протяженных магистральных широкополосных линиях и сетях связи. Оно обеспечивает передачу информации на несколько сотен километров со скоростями до 40 Гбит/с. Однако, по нему можно передавать только один спектральный канал информации, то есть оно не может быть использовано в волоконно-оптических системах и сетях, в которых применяются волоконно-оптические усилители и плотное оптическое спектральное мультиплексирование (DWDM-технологии). Причина этого заключается в высоких уровнях световой мощности в волокне после усиления и высокой плотности спектрального уплотнения, т. е. необходимости одновременной передачи большого числа независимых спектральных каналов по одному волокну. Высокая концентрация световой мощности в волокне — G.653 из-за особенностей структуры жилы приводит к проявлению нелинейных эффектов и, в частности, четырехволновому смешению, которое проявляется при нулевой хроматической дисперсии и приводит, в свою очередь, к перекрестным помехам в линии.

По мере совершенствования систем передачи на длине волны 1550 нм встает задача разработки волокна с длиной волны нулевой дисперсии, попадающей внутрь этого окна. В итоге в середине 80-х годов создается волокно со смещенной дисперсией, классифицируемое стандартом G.653, полностью оптимизированное для работы в окне 1550 нм, как по затуханию, так и по дисперсии. Это волокно имеет нулевую дисперсию в области минимальных потерь волокна, что достигается за счет более сложной структуры световедущей жилы, а именно специально заданному распределению коэффициента преломления по диаметру жилы.

На протяжении многих лет волокно DSF считается самым перспективным волокном. Волокно типа G.653 используется в протяженных магистральных широкополосных линиях и сетях связи. Оно обеспечивает передачу информации на несколько сотен километров со скоростями до 40 Гбит/с. С приходом более новых технологий передачи мультиплексного оптического сигнала, большую роль начинают играть эрбиевые оптические усилители типа EDFA, способные усиливать многоканальный сигнал.

В одномодовом волокне со смещенной дисперсией (DSF) длина волны, на которой результирующая дисперсия обращается в ноль, - длина волны нулевой дисперсии l0 - смещена в окно 1550 нм. Такое смещение достигается благодаря специальному профилю показателя преломления волокна. Таким образом, в волокне со смещенной дисперсией реализуются наилучшие характеристики как по минимуму дисперсии, так и по минимуму потерь. Поэтому такое волокно лучше подходит для строительства протяженных сегментов с расстоянием между ретрансляторами до 100 и более километров. Разумеется, единственная рабочая длина волны берется близкой к 1550 нм.

Оптическое волокно с ненулевой смещенной дисперсией (G.655)

Стандарт G.655 относится к волокну со смещенной ненулевой дисперсией — NZDSF (Non-Zero Dispersion Shifted Fiber). Волокно NZDSF создается в начале 90-х годов с целью преодолеть недостатки DSF, проявляющиеся при работе с многочастотным оптическим сигналом.

Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF в отличие от DSF оптимизировано для передачи не одной длины волны, а сразу нескольких длин волн (мультиплексного волнового сигнала). Это волокно предназначено для применения в магистральных волоконно-оптических линиях и глобальных сетях связи, использующих DWDM-технологии в диапазоне длин волн 1,55 мкм. Длина волны нулевой дисперсии l0 - смещена за пределы рабочей зоны оптического усилителя EDFA (эрбиевого оптического усилителя), так чтобы слабая ненулевая дисперсия на длинах волн усиливаемого сигнала приводила к ослаблению нелинейностей усилителя (в частности, четырехволнового смешивания).

Что такое оптоволоконная технология и как она работает?

06 окт. Что такое оптоволоконная технология и как она работает?

Хотя многие из нас слышали термин «волоконная оптика» или «волоконно-оптическая технология» для описания типа кабеля или технологии, использующей свет, немногие из нас действительно понимают, что это такое. Здесь мы описываем основы оптоволоконной технологии, ее назначение, особенности, преимущества и где мы ее используем сегодня.

Узнайте больше о кабельных сборках NAI Group для волоконной оптики

Что такое оптоволоконная технология?

Волоконно-оптические волокна или оптические волокна представляют собой длинные тонкие пряди тщательно вытянутого стекла диаметром с человеческий волос.Эти жилы скомпонованы в жгуты, называемые оптическими кабелями. Мы полагаемся на них для передачи световых сигналов на большие расстояния.

В передающем источнике световые сигналы кодируются данными… теми же данными, которые вы видите на экране компьютера. Таким образом, оптическое волокно передает «данные» светом на приемный конец, где световой сигнал декодируется как данные. Следовательно, волоконная оптика на самом деле является средой передачи - «трубой» для передачи сигналов на большие расстояния с очень высокой скоростью.

Волоконно-оптические кабели были первоначально разработаны в 1950-х годах для эндоскопов.Цель заключалась в том, чтобы помочь врачам осмотреть пациента изнутри без серьезной хирургической операции. В 1960-х инженеры-телефонисты нашли способ использовать ту же технологию для передачи и приема телефонных звонков со «скоростью света». Это примерно 186 000 миль в секунду в вакууме, но в кабеле скорость снижается примерно до двух третей от этой скорости.

Как работает волоконная оптика?

Свет распространяется по оптоволоконному кабелю, многократно отражаясь от стенок кабеля. Каждая легкая частица (фотон) отражается по трубе, продолжая внутреннее зеркальное отражение.

Луч света проходит по жиле кабеля. Жила - это середина кабеля и стеклянной конструкции. Оболочка - это еще один слой стекла, обернутый вокруг сердцевины. Оболочка предназначена для удержания световых сигналов внутри сердечника.

Типы оптоволоконных кабелей

Оптоволоконные кабели различных типов

Существует много типов оптоволоконных кабелей, которые для выполнения своей функции часто заканчиваются в сборках оптоволоконных кабелей.

Одно- и многомодовое оптоволокно

Волоконно-оптические кабели передают световые сигналы в режимах. Режим - это путь, по которому световой луч следует по оптоволокну. Есть одномодовые и многомодовые оптоволоконные кабели.

Одномодовое волокно - это простейшая структура. Он содержит очень тонкую сердцевину, и все сигналы проходят прямо посередине, не отскакивая от краев. Одномодовые оптоволоконные кабели обычно используются для кабельного телевидения, Интернета и телефонной связи, где сигналы передаются по одномодовым волокнам, свернутым в жгут.

Многомодовые оптоволоконные кабели используются в качестве патч-кордов или «перемычек» для соединения оборудования передачи данных

Многомодовое волокно - это другой тип оптоволоконного кабеля. Это примерно в 10 раз больше, чем у одномодового кабеля. Световые лучи могут проходить через ядро, следуя множеством разных путей или в нескольких разных режимах. Эти типы кабелей могут передавать данные только на короткие расстояния. Поэтому они используются, среди прочего, для соединения компьютерных сетей.

Существует четыре типа многомодовых волоконно-оптических кабелей, обозначенных буквой «OM» (оптический многомодовый). Промышленная ассоциация обозначила их как OM1, OM2, OM3 и OM4. Они описаны в ISO / IEC 11801. Стандарт OM4 был одобрен TIA / EIA 492AAAD. Каждый OM имеет минимальные требования к модальной полосе пропускания.

Пленум

Кроме того, оптоволоконные кабели могут быть изготовлены в соответствии с требованиями отраслевых стандартов для установки в вентиляционных камерах. Они используются внутри зданий со специальными материалами и составами для обшивки.Эти кабели, называемые «напорным кабелем», соответствуют требованиям к пламени и токсичности в случае пожара.

Одностороннее и дуплексное оптоволокно

Конструкции волоконно-оптических кабелей Simplex содержат одну жилу из стекла. Чаще всего симплексное волокно используется там, где требуется только одна линия передачи и / или приема между устройствами или когда используется мультиплексный сигнал данных (двунаправленная связь по одному волокну).

Дуплексный оптоволоконный кабель состоит из двух жил из стекла или пластика

Волоконно-оптический кабель на барабане с ящиками, с заделанными концами

волокно.Этот кабель, обычно имеющий конструкцию «zipcord», чаще всего используется для дуплексной связи между устройствами, где требуется раздельная передача и прием.

Другие применения оптоволоконных технологий

Помимо конструкций пленумов, производители волоконно-оптических кабельных сборок создают:

  • «сиамские» конструкции (два кабеля рядом, каждый со своей оболочкой)
  • гибридные кабели (с медными кабелями)
  • Связанные и композитные кабельные конструкции, которые включают другие оптоволоконные, медные кабели или иногда кабели для пар питания

Более короткие «коммутационные кабели» или «оптоволоконные перемычки» используются для соединения различного электронного оборудования в серверной, телекоммуникационной или дата-центре.

Использование оптического волокна в повседневной жизни

Возможно, вы видели пластиковые волокна, несущие цветные огни в декоративных целях. Возможно, вы не видели настоящих стекловолоконных кабелей, которые сейчас составляют основу наших коммуникационных и компьютерных сетей. Многие тысячи миль проложенного оптоволоконного кабеля несут множество типов информации под землей, в туннелях, стенах зданий, потолках и других местах, которых вы не видите. Примеры использования оптического волокна в нашей повседневной жизни включают такие приложения, как:

В последние годы появились и другие применения волоконной оптики.Волоконно-оптические кабели стали основой для MAN, WAN и LAN. Наблюдалась тенденция к приложениям «FTTX» или «Fiber to the XXXX». Это, например, Fiber до:

  • Дом (FTTH)
  • Бордюр (FTTC)
  • Помещение (FTTP)
  • Здание (FTTB)
  • Узел (FTTN)

Первоначально оптоволокно использовалось в основном для магистральных кабельных линий, предназначенных для передачи сигналов в более крупные населенные районы. Со временем эти кабели распространились по домам, зданиям и т. Д., что привело к тенденции FTTX.

Справочник FOA для волоконной оптики


Оптический Волокно

Волоконная оптика - это работающая среда связи посылая оптические сигналы по тонким как волос прядям сверхчистое стекло или пластиковое волокно. Свет "направляемый" вниз по центру волокна, называемый "основной".Сердечник окружен оптическим материалом называется «облицовка», которая улавливает свет в сердечник с использованием оптического метода, называемого "общий внутреннее отражение ». Само волокно покрытый «буфером», поскольку он сделан для защиты волокно от влаги и физических повреждений. Буфер это то, что снимают с волокна для завершения или сращивание.




сердцевина и оболочка большинства волокон сделаны из сверхчистое стекло, хотя некоторые волокна все пластиковая или стеклянная сердцевина и пластиковая обшивка. В ядро спроектировано так, чтобы иметь более высокий индекс преломление, оптический параметр, который является мерой скорости света в материале, чем облицовка, вызывающая «общую внутреннюю отражение "для улавливания света в ядре до определенный угол, определяющий числовой апертура волокна.Более технические подробности ниже.

Стекловолокно покрыто защитным пластиком. покрытие, называемое «первичным буферным покрытием», которое защищает его от влаги и других повреждений. Более защита обеспечивается «тросом», имеющим волокна и силовые элементы внутри внешнего защитное покрытие называется «куртка».


Также см. FOA Лекция 60, как работает волокно (видео) Fiber Trivia

Хотя стеклянные оптические волокна изготовлены из материала, который все думают, что оно хрупкое, это сверхчистое стекло. на самом деле довольно гибкий и в 3 раза прочнее, чем стали и в 6 раз прочнее титана по крупнейший производитель оптического волокна Corning.


Волокно Типы: многомодовые и одномодовые, Размер сердечника / оболочки

The два типа волокна - многомодовое и одномодовое. Внутри этих категорий волокна обозначаются их основной состав (индекс ступени ММ или градиентный индекс) и диаметры сердцевины / оболочки, выраженные в микронах (одна миллионная метра), e.грамм. 50/125 мкм градуированный индекс многомодовое волокно. Большинство стекловолокон имеют толщину 125 микрон. по внешнему диаметру - микрон составляет одну миллионную метра и 125 микрон - это 0,005 дюйма - немного больше, чем типичный человеческий волос.

многомодовый в волокне свет проходит по сердцевине во многих лучах, так называемые режимы.У него более крупное ядро ​​(почти всегда 50 или 62,5 мкм), который поддерживает передача нескольких режимов (лучей) света. Многомодовый обычно используется со светодиодными источниками. на длинах волн 850 и 1300 нм (см. ниже!) для более медленные локальные сети (LAN) и лазеры на 850 (VCSEL) и 1310 нм (лазеры Фабри-Перо) для сети, работающие со скоростью гигабит в секунду и более.

Одномодовый волокно имеет гораздо меньшую сердцевину, всего около 9 микрон, так что свет распространяется только в одном луче (режиме). используется для телефонии и кабельного телевидения с лазерными источниками на 1310 и 1550 нм, потому что он имеет меньшие потери и практически бесконечная пропускная способность.

1300 или 1310нм?
Волокно наполнено жаргоном, традиционным и часто тупой по смыслу.Проблема 1300/1310 восходит к прошлому к началу. Длинноволновые лазеры AT&T были статистически центрировано около 1310 нм (но варьировалось от 1290-1330 или более), поэтому они приняли 1310 нм номенклатура. Светодиоды с более широким и разнообразным спектральным выход (~ 1260-1350 нм со спектральной шириной 60-150 нм в зависимости от конструкции) стали называть 1300нм устройств.
Когда NBS (ныне NIST) создал калибровочный стандарт для измерители мощности, они использовали 850, 1300 и 1550 нм, поэтому метр калибровка обычно выполняется на этих длинах волн, хотя некоторые производители предлагают и 1300, и 1310 или называют это 1300/1310, потому что это несущественная разница в калибровка.
Пластик Оптическое волокно (POF) с большим сердечником (около 1 мм) волокно, обычно ступенчатый индекс, которое используется для короткие, низкоскоростные сети.

шт. / HCS (пластиковая или жесткая оболочка из диоксида кремния, пластиковая оболочка на стеклянная сердцевина) имеет меньшую стеклянную сердцевину (около 200 мкм) и тонкой пластиковой обшивкой.

Волокно типы.Слева на чертеже показана сердцевина / оболочка. диаметры. В правой части рисунка указан указатель профиль волокна. Профиль индекса показывает относительный показатель преломления материала, используемого в изготовление волокна.

Всего внутренних Отражение

Показатель преломления стекла или любого оптического материала является мерой скорости света в материале и изменения показателя преломления - это то, что заставляет свет изгиб - как показано на этой фотографии пластмассового стержня в пруд:

За пределами под определенным углом преломление приведет к тому, что свет будет отраженный от поверхности.Оптическое волокно использует это отражение, чтобы "захватить" волокно в сердцевине волокна за счет выбор основных и облицовочных материалов с правильным показатель преломления, который заставит весь свет отражается, если угол света ниже определенного угол. Мы называем это «полным внутренним отражением».


Есть угол, который для любого данного волокна определяет общую внутреннее отражение.Под большими углами луч света будет преломляться, но недостаточно, поэтому он теряется в оболочка волокна. Ниже этого угла будет отражается обратно в сердцевину волокна и передается на конец волокна. Угол общего внутреннее отражение определяет «числовую апертуру» (NA) волокна, стандартная спецификация волокна.

Подробнее о полном внутреннем отражении в оптическом волокне.


Многомодовое волокно с индексом шага

Многомодовое волокно со ступенчатым показателем преломления было первым волокном дизайн. Сердцевина многомодового волокна со ступенчатым показателем преломления сделана полностью из одного типа оптического материала и облицовка другого типа с другими оптическими характеристики. Он имеет более высокое затухание и слишком медленно для многих применений из-за дисперсии, вызванной различная длина пути различных режимов путешествуя по ядру.Волокно со ступенчатым показателем преломления не является широко распространенным б / у - только POF и PCS / HCS (пластик или твердое покрытие кремнезем, пластиковая оболочка на стеклянном сердечнике) используйте ступеньку индексный дизайн сегодня. POF в основном используется для потребителей аудио и ТВ ссылки.




Многомодовое волокно с градиентным индексом

В многомодовом волокне с градиентным индексом состав стекла в ядре для компенсации различная длина пути мод.Это предлагает в сотни раз больше пропускной способности, чем у шагового оптоволокна - примерно до 4 гигагерц / км. Используются два типа, 50/125 и 62,5 / 125, где числа представляют диаметр сердцевины / оболочки в микронах. Многомодовое волокно с градиентным показателем преломления в основном используется для сети помещений, локальные сети, оптоволокно к столу, видеонаблюдение и другие системы безопасности.
Волокно с градуированным индексом (GI) производится с различными материалы в ядре, выбранные для минимизации модальных дисперсия, вызванная разной длиной пути по волокну передаются разные моды.В профиль показателя преломления керна изогнут, а точнее параболы - со стеклом с более низким показателем преломления на внешней стороне сердечника. В стекло с более низким показателем преломления пропускает световые лучи под большим углом (так называемые режимы высокого порядка) быстрее чем стекло с более низким показателем преломления около центра сердечника.


Индексный профиль сердцевины многомодового GI-волокна равен не непрерывно, что трудно, если не невозможно производство, но поэтапно, от сотен шагов до тысячи в зависимости от конструкции волокна и производственный процесс.Поскольку режим света проходит на каждом шаге он слегка сгибается, пока не отразится обратно к сердцевине волокна.
Кому помочь визуализировать слои в волокне, рассмотрите Линза Френеля, «плоская» линза из кольцевых колец. из стекла, напоминающего обычный объектив. Эти линзы используются в огнях маяков, таких как этот:

Линза Френеля, подобная той, что используется в маяке, - это плоская линза из сегментов обычной линзы.


Показатель преломления связан со скоростью света в волокно; N = C / V, поэтому более высокий показатель преломления указывает на то, что свет движется с меньшей скоростью (V) относительно скорости света в вакууме (С.) Поскольку свет переходит в более низкий показатель преломления материал за пределами сердечника, это ускоряет по сравнению со скоростью в центре ядра.К тщательно проектируя и производя волокно, вы можете получить среднюю скорость режима высшего порядка примерно так же, как и режимы, идущие прямо вниз волокно, уменьшающее модальную дисперсию.

Хотя большая часть волокна с градуированным показателем преломления целиком состоит из стекла, есть также некоторые волокна GI POF.

Одномодовое волокно

Одномодовое волокно сжимает сердцевину до такой степени, что свет может перемещаться только в одном луче или режиме, отсюда и название одиночный режим.

Так как режим только один, проблем с модальная дисперсия и выбор материала сердцевины могут уменьшить хроматическую дисперсию (см. ниже), что увеличивает пропускная способность почти бесконечна - но это практически ограничивается примерно 100 000 гигагерц - это еще много! Одномодовое волокно имеет диаметр сердцевины 8-10 мкм, заданный как "диаметр модового поля", эффективный размер сердечника и оболочки диаметром 125 мкм.

Специальные волокна были разработаны для приложений которые требуют уникальных характеристик волокна. В волокнах используются одномодовые волокна, легированные эрбием. усилители, устройства, используемые очень долго удаленные сети для регенерации сигналов. Волокна оптимизирован для полосы пропускания на длинах волн, подходящих для DWDM систем или для обращения хроматической дисперсии.Этот является активной областью развития волокон.

Волокна, нечувствительные к изгибу

Затухание в оптическом волокне чувствительно к нагрузке как встречается при слишком сильном сгибании волокна, особенно с патчкордами и волокнами в плотных вольеры. Стресс заставляет свет выходить из сердцевины волокно, вызывающее потери.Модификация волокна индексный профиль, добавляя слой стекла с низким индексом вокруг сердечника, обычно называемого оптическим желобом, который направляет или отражает свет, потерянный от сердечника, обратно в сердцевину может сделать волокно менее чувствительным к потери на изгибе. Это можно сделать как с многомодовыми и одномодовые волокна.

Многие волокна теперь доступны как нечувствительные к изгибу. волокна, включая большинство многомодовых волокон.Одиночный режим волокна, используемые в патчкордах, малый диаметр, высокое волокно подсчитать кабели, называемые микрокабелями, и специальные кабели обычно представляют собой нечувствительные к изгибу волокна.

Подробнее на нечувствительных к изгибу волокнах.


Производство Оптическое волокно

The производство оптического волокна до субмикронного точность - интересный процесс, связанный с созданием сверхчистое стекло и растягивая его в пряди, размер человеческого волоса.Процесс начинается с изготовление преформы, стеклянного стержня большого диаметра который имеет то же оптическое сечение, что и волокно, но в сотни раз больше. Конец стержень нагревается и тонкая нить волокна вытаскивают из спектакля и наматывают на большие катушки. После изготовления волокно тестируется, а затем изготавливается в кабель.


Здесь Больше информация о производстве волокна.

Волокно Размеры и типы Волокно бывает двух типов: одномодовое и многомодовый.За исключением волокон, используемых в специальных приложений, одномодовое волокно можно рассматривать как одно размер и тип. Если вы работаете в сфере дальней связи или подводные кабели, возможно, придется работать по специальности одномодовые волокна.

Относительные размеры всех волокон

Сравнение размеров сердцевины / оболочки

Вот еще один способ взглянуть на волокно - Оптическое волокно Семейное древо


Для получения информации о том, что все разные обозначения означает, см. таблицу ниже или перейдите здесь.

Многомодовые волокна изначально были нескольких размеров, оптимизирован для различных сетей и источников, но данные промышленный стандарт на 62,5-жильное волокно в середине 80-х (Волокно 62,5 / 125 имеет сердцевину 62,5 мкм и 125 мкм облицовка. Теперь это стандартное волокно OM1.) поскольку гигабитные и 10-гигабитные сети получили широкое распространение была восстановлена ​​старая конструкция волокна.50/125 волокно использовалось с конца 70-х годов с лазерами для телекоммуникаций. приложений до того, как стали доступны одномодовые волокна. Оптоволокно 50/125 (стандарт OM2) обеспечивает более высокую пропускную способность с лазерные источники, используемые в гигабитных локальных сетях, и могут позволить гигабитные ссылки для больших расстояний. Новее OM3 или оптимизированное для лазера оптоволокно 50/125 сегодня рассматривается большинством быть лучшим выбором для многомодовых приложений.Волокно OM4 - это волокно с более высокой пропускной способностью для сетей 10G +. OM5 - это широкополосное многомодовое волокно, оптимизированное для длины волны. разделение мультиплексирования с VCSEL на 850-950 нм диапазон.

Для определения типов волокна в кабеле существуют стандартизованные цветовые коды для покрытой оболочки кабеля под TIA-598. Здесь дополнительная информация о цветовых кодах кабелей и разъемы.

МГц-км МГц-км МГц-км МГц-км МГц-км МГц-км МГц-км МГц-км
Волокно Типы и типовые характеристики
(OM / OS относится к типам TIA, B относится к IEC типы, G относится к типам ITU)
Сердечник / оболочка Затухание Пропускная способность Приложения / Примечания
Многомодовый Индекс оценок
@ 850/1300 нм @ 850/1300 нм
50/125 микрон (OM2, G.651,1) 3/1 дБ / км 500/500 Лазерный для сетей GbE
50/125 микроны (OM3, G.651.1) 2.5 / 0,8 дБ / км 1500/500 Оптимизировано для 850 нм VCSEL
50/125 микроны (OM4, G.651.1) 2,5 / 0,8 дБ / км 3500/500 Оптимизировано для 850 нм VCSEL, более высокая скорость
50/125 мкм (OM5) 2.5 / 0,8 дБ / км 3500/500 широкополосный MMF, оптимизированный для WDM 850-950 нм VCSEL, повышенная скорость
62,5 / 125 мкм (ОМ1) 3/1 дБ / км 160-200 / 500 LAN волокно
100/140 мкм 3/1 дБ / км 150/300 Устарело
Одиночный режим
@ 1310/1550 нм *
9/125 микроны (OS1 B1.1 или G.652) 0,4 / 0,25 дБ / км
ВЫСОКИЙ!
~ 100 Терагерц
Одномодовый волокно, наиболее распространенное для Telco / CATV / высокоскоростные локальные сети.OS1 - это обозначение TIA-568 для оптоволоконного кабеля SM для использование помещений с более высоким затуханием - 1 дБ / км. Все волокна SM имеют мало воды пиковое волокно.
9/125 микроны (OS2, B1.2 или G.652) 0,4 / 0,25 дБ / км
ВЫСОКИЙ!
~ 100 Терагерц
Низкий водное пиковое волокно.OS2 - это обозначение TIA-568 для SM-волокна. с кабелем для наружного использования.
9/125 микроны (B2 или G.653) 0,4 / 0,25 дБ / км
ВЫСОКИЙ!
~ 100 Терагерц
Дисперсия смещенное волокно
9/125 микроны (B1.2 или G.654) 0,4 / 0,25 дБ / км
ВЫСОКИЙ!
~ 100 Терагерц
Отсечка смещенное волокно
9/125 микроны (B4 или G.655) 0,4 / 0,25 дБ / км
ВЫСОКИЙ!
~ 100 Терагерц
Ненулевое значение волокно со смещенной дисперсией
9/125 микрон (G.657)
0,4 / 0,25 дБ / км
ВЫСОКИЙ!
~ 100 Терагерц
нечувствительность к изгибу волокно
Многомодовый Шаг-указатель
@ 850 нм @ 850 нм
200/240 мкм 4-6 дБ / км 50 Медленно ЛВС и ссылки
POF (пластиковое оптическое волокно)
@ 650 нм @ 650 нм
1 мм ~ 1 дБ / м ~ 5 Короткий Ссылки и автомобили

* Некоторые стандарты теперь включают затухание на 1383 нм (вода пик), который обычно не превышает 1310 нм.

ВНИМАНИЕ: нельзя смешивать и сочетать волокна! Пытаясь подключение одномодового к многомодовому волокну может привести к 20 дБ потеря - это 99% мощности. Даже связи между 62,5 / 125 и 50/125 могут вызвать потери на 3 дБ и более - более половины мощности. Более на несовпадающих волокнах.

Характеристики волокна

Обычные спецификации волокна - это размер (диаметр сердцевины / оболочки в микронах), затухание коэффициент (дБ / км на соответствующих длинах волн) и полоса пропускания (МГц-км) для многомодового волокна и хроматических и поляризационно-модовая дисперсия для одномодового волокна.В то время как производители имеют другие спецификации для проектирования и производство волокна в соответствии с отраслевыми стандартами, например числовая апертура (угол приема света в волокно), овальность (насколько круглое волокно), концентричность сердцевины и оболочки и т. д., эти спецификации обычно не влияют на пользователей, которые указывают волокна на покупку или установку.Здесь дополнительная информация о тестировании спецификаций волокна.

Некоторые волокна были разработаны, чтобы быть менее чувствительными. к потерям, вызванным изгибом. Эти «нечувствительные к изгибу» волокна предназначены для использования в качестве патчкордов или в тесных помещениях приложения, где обычные волокна будут нести потери. Вот это больше информации о нечувствительных к изгибу волокнах.

Затухание
Основными характеристиками оптического волокна являются затухание. Затухание означает потерю оптической мощности. Затухание в оптическом волокне выражается коэффициент затухания, который определяется как потеря длина волокна на единицу длины в дБ / км.



Затухание в оптическом волокне является результатом двух факторы поглощения и рассеяния.Поглощение вызванные поглощением света и преобразованием в тепло молекулами в стекле. Первичные поглотители остаточный ОН + и легирующие примеси, используемые для изменения преломляющей индекс стекла. Это поглощение происходит на дискретных длины волн, определяемые элементами, поглощающими свет. Абсорбция ОН + преобладает и происходит наиболее сильно около 1000 нм, 1400 нм и выше 1600 нм.Сегодня многие волокна представляют собой волокна с низким пиком воды, в которых Полосы поглощения OH + были значительно уменьшены, что позволило версия мультиплексирования с разделением по длине волны для использования эти длины волн.



Самая большая причина ослабления - это рассеяние. Рассеяние происходит при столкновении света с индивидуальным атомов в стекле и является анизотропным.Свет, который есть рассеянных под углами за пределами числовой апертуры волокно впитается в оболочку или передается обратно к источнику. Рассеяние также является функция длины волны, пропорциональная обратной четвертая степень длины волны света. Таким образом, если вы удвоить длину волны света, вы уменьшите потери на рассеяние в 2 в 4 степени или в 16 раз.

Например, потери в многомодовом волокне намного выше. на длине волны 850 нм (называемой короткой длиной волны) при 3 дБ / км, в то время как на длине волны 1300 нм (называемой длинной волной) она составляет всего 1 дБ / км. Это означает, что на длине волны 850 нм половина света теряется на 1 км. в то время как на 1300 нм теряется только 20%.

Следовательно, для передачи на большие расстояния это выгодно использовать самую длинную практическую длину волны для минимальное затухание и максимальное расстояние между повторители.Вместе поглощение и рассеяние создают кривая затухания для типичного стеклянного оптического волокна показано выше.

Оптоволоконные системы передают в созданных «окнах» между полосами поглощения при 850 нм, 1300 нм и 1550 нм нм, где физика также позволяет изготавливать лазеры и детекторы легко. Пластиковое волокно имеет более ограниченный диапазон длин волн, ограничивающий практическое использование светодиодами с длиной волны 660 нм источники.

Подробнее: Wavelength Полосы, используемые для оптоволоконной передачи

,

,
, дисперсия в многомодовом и одномодовом волокне

Дисперсия относится к расширение или распространение световых импульсов по мере их распространения вниз по оптическому волокну. Дисперсность - один из факторов что ограничивает пропускную способность оптоволоконного канала вместе с ширина полосы передатчика-источника.Дисперсия имеет несколько причин, описанных ниже.

Пропускная способность

Пропускная способность передачи информации многомодового волокна составляет ограничивается двумя отдельными компонентами дисперсии: модальным и хроматический. Модальная дисперсия возникает из-за того, что профиль показателя преломления многомодового волокна не идеален. Градуированный профиль индекса был выбран теоретически таким образом, чтобы разрешить всем режимам иметь одинаковую групповую скорость или скорость прохождения по длине волокна.Сделав внешние части сердечника имеют более низкий показатель преломления чем внутренние части сердечника, моды более высокого порядка ускоряются по мере удаления от центра ядра, компенсируя их большую длину пути.

В идеализированном волокне все моды имеют одну и ту же группу скорости и модальной дисперсии не происходит. Но на самом деле волокна, профиль показателя преломления является приблизительным, и все режимы не передаются идеально, что позволяет некоторым модальным дисперсия.Поскольку моды более высокого порядка имеют больше отклонения, модальная дисперсия волокна (и следовательно, его полоса пропускания лазера), как правило, очень чувствителен к модальным условиям в волокне. Таким образом полоса пропускания более длинных волокон нелинейно ухудшается по мере того, как моды более высокого порядка ослабляются сильнее.

Второй фактор в полосе пропускания волокна, хроматический дисперсия влияет как на многомодовое, так и на одномодовое волокно.Помните, что призма расширяет спектр происшествий свет, поскольку свет движется с разной скоростью в соответствии с его цветом и поэтому преломляется на разные углы. Обычный способ заявить, что это показатель преломления стекла - длина волны зависимый. Таким образом, тщательно изготовленный градуированный индекс профиль можно оптимизировать только для одной длины волны, обычно около 1300 нм, а свет других цветов будет страдают хроматической дисперсией.Даже свет в том же режим будет разогнан, если он другой длины волн.

Хроматическая дисперсия - большая проблема для светодиодных источников в ММ-волокне, которое имеет широкие спектральные выходы, в отличие от лазеры, которые концентрируют большую часть своего света в узком спектральный диапазон. Такие системы, как FDDI, основанные на широком со спектральным выходом светодиодов с поверхностным эмиттером, страдающих такими интенсивная хроматическая дисперсия, что передача была ограничивается всего двумя км из 62.5/125 волокна.

Хроматическая дисперсия (CD) также влияет на длинные ссылки в одномодовые системы, даже с лазерами, поэтому волокна и источники оптимизированы для минимизации хроматической дисперсии в междугородних ссылках. Дефекты волокна и нагрузка на волокна могут вызывать поляризационную модовую дисперсию (PMD) по длинным ссылкам. И CD, и PMD тестируются на кабеле. установки для протяженных высокоскоростных волоконно-оптических сетей, а процесс, называемый характеристикой волокна.

Узнать больше о дисперсия в оптическом волокне. Более на CD и PMD.


Нечувствительность к изгибу (BI) Волокна
При прокладке кабелей с малым количеством волокон в помещении и прокладка патчкордов вокруг патч-панелей, оптоволокно кабели могут подвергаться сильным перегибам. Этот стресс может вызвать потери при изгибе волокон и даже длинные срок отказа.Производители волокна теперь предлагают нечувствительные к изгибу волокна, как одномодовые, так и многомодовые, более устойчивые к резкому изгибу. Один производитель даже демонстрирует волокно прикрепив его к деревянным шпилькам с помощью степлера, практики мы настоятельно рекомендуем вам не пробовать только для демонстрации! Нечувствительные к изгибу волокна большое преимущество для патчкордов или когда волокна подвергается стрессу, но производители должны проконсультировались, чтобы узнать, требуют ли эти волокна специальных методы соединения, завершения или тестирования.Более на BI-волокнах.

Тест Ваше понимание

Таблица Содержание: Справочное руководство FOA по волоконной оптике

Canon: Технологии Canon | Canon Science Lab

Для этого сайта требуется браузер с поддержкой JavaScript.

Оптические волокна

Оптические волокна представляют собой высокочистые стеклянные волокна диаметром около 120 мкм - шириной в три человеческого волоса - которые могут надежно передавать оптические сигналы на большие расстояния.

Оптические волокна передают данные в виде световых или оптических сигналов. Они изготовлены из особо чистого стекла, без примесей и пропускающих 95,5% светового сигнала на расстояние в один километр. Это означает, что теоретически все еще можно было бы ясно видеть пейзаж снаружи через окно толщиной в километр, сделанное из такого стекла. Если учесть, что примерно половина любого света, проходящего через окно толщиной в несколько сантиметров, сделанное из обычного стекла, будет заблокирована, то вы сможете оценить, насколько прозрачным является стекло, используемое в оптических волокнах.Именно эта очень высокая прозрачность позволяет оптическим волокнам передавать оптические сигналы на большие расстояния без затухания.

Улавливание света в ядре

Оптические волокна состоят из центральной жилы и окружающего слоя, известного как оболочка. Сердцевина имеет высокий показатель преломления, в то время как для оболочки используется более низкий показатель преломления. Эта разница в показателях преломления используется для обеспечения плавного прохождения света по сердцевине.Свет проходит через границу между средами с одинаковым показателем преломления, но от среды с высоким показателем преломления к среде с низким показателем преломления свет полностью отражается, когда угол падения становится довольно большим.

Оптические сигналы проходят по жилам оптических волокон. Оптические волокна изготовлены таким образом, что оптические сигналы подвергаются полному внутреннему отражению на границе между сердцевиной и оболочкой из-за разницы в показателях преломления двух сред.Этот принцип полного внутреннего отражения используется для улавливания оптических сигналов внутри сердечника.

Лазеры: лучший свет для оптоволоконной связи

Лазерный свет используется для оптоволоконной связи по той простой причине, что это источник света с одной длиной волны. Солнечный свет или свет, излучаемый лампочкой, представляет собой смесь света разных длин волн. Поскольку световые волны такого света не совпадают по фазе друг с другом, они не создают очень мощный луч.Однако лазерные лучи имеют одну длину волны, поэтому все их волны синфазны, производя очень мощный свет.

Скорость света, движущегося по оптическому волокну, изменяется в зависимости от его длины волны. Поскольку обычный свет содержит много разных длин волн, возникают различия в скорости передачи, уменьшая количество сигналов, которые могут быть переданы за любой заданный промежуток времени. Являясь источником света с одной длиной волны и однородной фазой, лазерный свет распространяется плавно с очень небольшой дисперсией, что делает его идеальным для связи на большие расстояния.

Одномодовый и многомодовый

Оптические волокна можно условно разделить на два типа в зависимости от способа передачи оптических сигналов. Один тип, известный как одномодовое волокно, имеет тонкую сердцевину диаметром около 10 мкм (1 мкм = одна миллионная метра) и позволяет световым импульсам распространяться только в одной моде. Другой тип, многомодовое волокно, имеет толстую сердцевину диаметром около 50 мкм и позволяет распространять несколько световых импульсов с разными углами отражения.

Однако в многомодовом волокне расстояние, на котором могут распространяться сигналы, различается в зависимости от угла отражения, что приводит к различиям во времени прихода сигналов. Таким образом, многомодовые волокна используются в основном для передачи с низкой и средней пропускной способностью на относительно короткие расстояния. Большинство используемых сегодня оптических волокон представляют собой одномодовые волокна, обеспечивающие высокую скорость передачи с большой пропускной способностью.

Передача света по оптоволокну

Оптические волокна имеют сердцевину диаметром от 10 до 50 мкм.Оптические сигналы подаются в сердечники этих волокон с помощью устройств, известных как модули LD (лазерных диодов). Лазерный свет, генерируемый мощным лазерным диодом, проходит через линзы модуля LD и попадает в сердцевину волокна. Два типа линз - эллиптическая коллимирующая линза и линза для формирования линий в форме стержня - используются для фокусировки лазерного луча и направления его к сердцевине оптического волокна.

Новое оптическое волокно с полой сердцевиной более прозрачное, чем стекло

Этот танец называется динамическое масштабирование напряжения и частоты (DVFS) постоянно происходит в процессоре, называемом системой на кристалле (SoC), который управляет вашим телефоном и вашим ноутбуком, а также на серверах, которые их поддерживают.Все это делается для того, чтобы сбалансировать вычислительную производительность и энергопотребление, что особенно сложно для смартфонов. Цепи, которые управляют DVFS, стремятся обеспечить стабильную тактовую частоту и стабильный уровень напряжения, несмотря на скачки тока, но они также являются одними из самых непростых в проектировании.

Это главным образом потому, что схемы генерации часов и регулирования напряжения являются аналоговыми, в отличие от почти всего остального на SoC вашего смартфона. Мы привыкли к почти ежегодному выпуску новых процессоров с существенно большей вычислительной мощностью благодаря достижениям в производстве полупроводников.«Перенос» цифровой конструкции из старого полупроводникового процесса в новый - это не пикник, это ничто по сравнению с попыткой перенести аналоговые схемы на новый процесс. Аналоговые компоненты, обеспечивающие DVFS, особенно схема, называемая стабилизатором напряжения с малым падением напряжения (LDO), не масштабируются, как цифровые схемы, и должны быть в основном перепроектированы с нуля с каждым новым поколением.

Если бы вместо этого мы могли строить LDO - и, возможно, другие аналоговые схемы - из цифровых компонентов, их было бы гораздо легче переносить, чем любую другую часть процессора, что значительно снизило бы затраты на разработку и освободило инженеров для решения других проблем, связанных с передовой конструкцией микросхем. есть в магазине.Более того, полученные цифровые LDO могут быть намного меньше, чем их аналоговые аналоги, и в некоторых отношениях работать лучше. Исследовательские группы в промышленности и академических кругах протестировали не менее дюжины проектов за последние несколько лет, и, несмотря на некоторые недостатки, коммерчески полезный цифровой LDO может скоро стать доступным.

Стабилизаторы напряжения с малым падением напряжения (LDO) позволяют нескольким ядрам процессора на одной шине входного напряжения (V IN ) работать при разных напряжениях в соответствии с их рабочими нагрузками.В этом случае Core 1 предъявляет самые высокие требования к производительности. Его головной переключатель, на самом деле группа транзисторов, соединенных параллельно, замкнут, минуя LDO и напрямую подключающий Core 1 к V IN , который получает питание от внешней ИС управления питанием. Однако ядра 2–4 имеют менее требовательные рабочие нагрузки. Их LDO используются для подачи на сердечники напряжения, позволяющего экономить электроэнергию.

Базовый аналоговый регулятор напряжения с малым падением напряжения [слева] управляет напряжением через контур обратной связи.Он пытается сделать выходное напряжение (V DD ) равным опорному напряжению, управляя током через силовой PFET. В базовой цифровой схеме [справа] независимые часы запускают компаратор [треугольник], который сравнивает опорное напряжение с V DD . Результат сообщает логике управления, сколько мощных полевых транзисторов нужно активировать.

ТИПИЧНАЯ СИСТЕМА НА ЧИПЕ для смартфона - чудо интеграции. На одной кремниевой пластине он объединяет несколько ядер ЦП, графический процессор, процессор цифровых сигналов, нейронный процессор, процессор сигналов изображения, а также модем и другие специализированные блоки логики.Естественно, повышение тактовой частоты, которая управляет этими логическими блоками, увеличивает скорость, с которой они выполняют свою работу. Но для работы на более высокой частоте им также требуется более высокое напряжение. Без этого транзисторы не могут включаться или выключаться до следующего такта тактовой частоты процессора. Конечно, более высокая частота и напряжение происходит за счет энергопотребления. Таким образом, эти ядра и логические блоки динамически изменяют свои тактовые частоты и напряжения питания - часто в диапазоне от 0,95 до 0,45 В - в зависимости от баланса энергоэффективности и производительности, необходимого им для любой назначенной им рабочей нагрузки - съемки видео, воспроизведения музыки. файл, передача речи во время разговора и т. д.

Обычно внешняя ИС управления питанием генерирует несколько значений входного напряжения (V IN ) для SoC телефона. Эти напряжения передаются в области микросхемы SoC по широким межсоединениям, называемым рельсами. Но количество соединений между микросхемой управления питанием и SoC ограничено. Таким образом, несколько ядер на SoC должны использовать одну и ту же шину V IN .

Но они не обязательно должны получать одинаковое напряжение благодаря стабилизаторам напряжения с малым падением напряжения.LDO вместе с выделенными тактовыми генераторами позволяют каждому ядру на общей шине работать с уникальным напряжением питания и тактовой частотой. Ядро, которому требуется самое высокое напряжение питания, определяет общее значение V IN . Микросхема управления питанием устанавливает V IN на это значение, и это ядро ​​полностью обходит LDO через транзисторы, называемые головными переключателями.

Чтобы снизить энергопотребление до минимума, другие ядра могут работать при более низком напряжении питания. Программное обеспечение определяет, каким должно быть это напряжение, и аналоговые LDO-стабилизаторы довольно хорошо справляются с его подачей.Они компактны, дешевы в сборке и относительно просты в интеграции в микросхему, поскольку не требуют больших катушек индуктивности или конденсаторов.

Но эти LDO могут работать только в определенном диапазоне напряжений. На верхнем конце целевое напряжение должно быть ниже, чем разница между V IN и падением напряжения на самом LDO (одноименное «падение» напряжения). Например, если напряжение питания, которое было бы наиболее эффективным для ядра, составляет 0,85 В, но V IN равно 0.95 В, а падение напряжения LDO составляет 0,15 В, это ядро ​​не может использовать LDO для достижения 0,85 В и должно вместо этого работать при 0,95 В, тратя немного энергии. Точно так же, если V IN уже был установлен ниже определенного предела напряжения, аналоговые компоненты LDO не будут работать должным образом, и схема не сможет быть задействована для дальнейшего снижения напряжения питания ядра.

Основным препятствием, которое до сих пор ограничивало использование цифровых LDO, является медленная переходная характеристика.

Однако, если желаемое напряжение попадает в окно LDO, программное обеспечение включает схему и активирует опорное напряжение, равное целевому напряжению питания.

КАК LDO подает нужное напряжение? В базовой конструкции аналогового LDO-стабилизатора используется операционный усилитель, обратная связь и специализированный силовой p -канальный полевой транзистор (PFET). Последний представляет собой транзистор, который уменьшает свой ток с увеличением напряжения на затворе. Напряжение затвора этого силового полевого транзистора представляет собой аналоговый сигнал, поступающий от операционного усилителя, в диапазоне от 0 вольт до В. IN . Операционный усилитель постоянно сравнивает выходное напряжение схемы - напряжение питания ядра или V DD - с заданным опорным напряжением.Если выходное напряжение LDO падает ниже опорного напряжения - как это было бы, когда новая активная логика внезапно потребовала больше тока - операционный усилитель снижает напряжение затвора силового PFET, увеличивая ток и поднимая V DD до значения опорного напряжения. И наоборот, если выходное напряжение поднимается выше опорного напряжения - как это было бы, когда логика ядра менее активна - тогда операционный усилитель увеличивает напряжение затвора транзистора, чтобы уменьшить ток и снизить V DD .

Базовый digital LDO, с другой стороны, состоит из компаратора напряжения, управляющей логики и ряда параллельных силовых полевых транзисторов.(LDO также имеет свою собственную схему синхронизации, отдельную от схем, используемых ядром процессора.) В цифровом LDO напряжения затвора на силовых полевых транзисторах являются двоичными значениями, а не аналоговыми, либо 0 В, либо V IN .

С каждым тактом тактового генератора компаратор измеряет, находится ли выходное напряжение ниже или выше целевого напряжения, обеспечиваемого опорным источником. Выход компаратора направляет логику управления при определении того, сколько силовых полевых транзисторов нужно активировать. Если выходной сигнал LDO ниже целевого, логика управления активирует больше мощных полевых транзисторов.Их объединенный ток поддерживает напряжение питания ядра, и это значение возвращается на компаратор, чтобы поддерживать его на заданном уровне. Если он выходит за пределы допустимого диапазона, компаратор подает сигнал управляющей логике, чтобы выключить некоторые из PFET.

НИ АНАЛОГОВЫЙ , ни цифровой LDO, конечно, не идеальны. Ключевым преимуществом аналоговой конструкции является то, что она может быстро реагировать на переходные спады и выбросы напряжения питания, что особенно важно, когда эти события связаны с резкими изменениями.Эти переходные процессы возникают из-за того, что потребность ядра в токе может сильно увеличиваться или уменьшаться за считанные наносекунды. В дополнение к быстрому отклику аналоговые LDO очень хорошо подавляют вариации V IN , которые могут исходить от других ядер на рельсах. И, наконец, когда текущие требования не сильно меняются, он жестко контролирует выход, не превышая и не занижая цель, что вызывает колебания в V DD .

Когда требования к току ядра внезапно меняются, это может привести к скачку или падению выходного напряжения LDO [вверху].Базовые модели цифровых LDO не справляются с этой задачей [внизу слева]. Однако схема, называемая адаптивной выборкой с пониженной динамической стабильностью [внизу справа], может уменьшить величину скачка напряжения. Это достигается за счет увеличения частоты дискретизации LDO, когда спад становится слишком большим, что позволяет схеме реагировать быстрее. Источник: S.B. Насир и др., Международная конференция по твердотельным схемам IEEE (ISSCC), февраль 2015 г., стр. 98–99.

Эти атрибуты сделали аналоговые LDO привлекательными не только для питания процессорных ядер, но и практически для любой схемы, требующей тихого, стабильного напряжения питания.Однако есть некоторые серьезные проблемы, которые ограничивают эффективность этих проектов. Первые аналоговые компоненты намного сложнее цифровой логики, что требует длительного времени на разработку для их реализации в узлах с передовыми технологиями. Во-вторых, они не работают должным образом при низком уровне V IN , что ограничивает уровень V DD , который они могут передать ядру. И, наконец, падение напряжения у аналоговых LDO не так мало, как хотелось бы разработчикам.

Взяв эти последние моменты вместе, аналоговые LDO предлагают ограниченный диапазон напряжений, при котором они могут работать.Это означает, что есть упущенные возможности использовать LDO для энергосбережения - достаточно большие, чтобы заметно увеличить время автономной работы смартфона.

Цифровые LDO устраняют многие из этих недостатков: не имея сложных аналоговых компонентов, они позволяют дизайнерам использовать множество инструментов и других ресурсов для цифрового дизайна. Таким образом, уменьшение масштаба схемы для новой технологии процесса потребует гораздо меньше усилий. Цифровые LDO-стабилизаторы также будут работать в более широком диапазоне напряжений. На стороне низкого напряжения цифровые компоненты могут работать при значениях V IN , которые недоступны для аналоговых компонентов.А в более высоком диапазоне падение напряжения цифрового LDO будет меньше, что приведет к значительной экономии энергии ядра.

Но ничего бесплатного, а у цифрового LDO есть серьезные недостатки. Большинство из них возникает из-за того, что схема измеряет и изменяет свой выходной сигнал только в дискретные моменты времени, а не постоянно. Это означает, что схема имеет сравнительно медленную реакцию на падения и выбросы напряжения питания. Он также более чувствителен к изменениям V IN и имеет тенденцию создавать небольшие колебания выходного напряжения, которые могут ухудшить производительность ядра.

Из них основным препятствием, которое до сих пор ограничивало использование цифровых LDO, является их медленная переходная характеристика. Ядра испытывают провалы и выбросы, когда ток, который они потребляют, резко меняется в ответ на изменение их рабочей нагрузки. Время реакции LDO на события спада имеет решающее значение для ограничения того, насколько сильно падает напряжение и как долго это состояние длится. Обычные жилы добавляют запас прочности к напряжению питания, чтобы гарантировать правильную работу при падении напряжения. Большее ожидаемое падение означает, что маржа должна быть больше, что снижает преимущества энергоэффективности LDO.Таким образом, ускорение реакции цифрового LDO на провалы и выбросы является основным направлением передовых исследований в этой области.

НЕКОТОРЫЕ ПОСЛЕДНИЕ ДОСТИЖЕНИЯ помогло ускорить реакцию схемы на провалы и выбросы. Один из подходов использует тактовую частоту цифрового LDO в качестве ручки управления, чтобы заменить стабильность и энергоэффективность на время отклика.

Более низкая частота улучшает стабильность LDO просто потому, что выходной сигнал будет меняться не так часто. Это также снижает энергопотребление LDO, поскольку транзисторы, составляющие LDO, переключаются реже.Но это происходит за счет более медленной реакции на переходные текущие требования со стороны ядра процессора. Вы можете понять, почему это так, если учесть, что большая часть переходного события может произойти в течение одного тактового цикла, если частота слишком низкая.

И наоборот, высокая тактовая частота LDO уменьшает время отклика на переходный процесс, потому что компаратор производит выборку выходного сигнала достаточно часто, чтобы изменить выходной ток LDO раньше в переходном процессе. Однако эта постоянная выборка ухудшает стабильность выходного сигнала и потребляет больше энергии.

Суть этого подхода состоит в том, чтобы ввести тактовый генератор, частота которого адаптируется к ситуации, схема, называемая адаптивной частотой дискретизации с пониженной динамической стабильностью. Когда падение или выброс напряжения превышает определенный уровень, тактовая частота увеличивается для более быстрого уменьшения переходного эффекта. Затем он замедляется, чтобы потреблять меньше энергии и поддерживать стабильное выходное напряжение. Этот трюк достигается путем добавления пары дополнительных компараторов для определения условий перерегулирования и спада и запуска часов.При измерениях с тестовой микросхемы с использованием этого метода падение напряжения V DD уменьшилось с 210 до 90 милливольт - на 57 процентов меньше, чем у стандартной цифровой конструкции LDO. А время, необходимое для стабилизации напряжения, сократилось с 5,8 мкс до 1,1 микросекунды, т.е. улучшение на 81 процент.

Альтернативный подход к уменьшению времени отклика на переходные процессы - сделать цифровой LDO немного аналоговым. Конструкция включает отдельный контур с аналоговым управлением, который мгновенно реагирует на переходные процессы тока нагрузки.Контур с аналоговым управлением связывает выходное напряжение LDO с параллельными PFET LDO через конденсатор, создавая контур обратной связи, который включается только при резком изменении выходного напряжения. Таким образом, когда выходное напряжение падает, оно снижает напряжение на активированных затворах PFET и мгновенно увеличивает ток в сердечнике, чтобы уменьшить величину спада. Было показано, что такой контур с аналоговым управлением снижает спад с 300 до 106 мВ, улучшение на 65 процентов, и выброс с 80 до 70 мВ (13 процентов).

Альтернативный способ заставить цифровые LDO быстрее реагировать на падения напряжения - это добавить аналоговую петлю обратной связи к силовой части PFET схемы [вверху]. При падении или выбросе выходного напряжения аналоговый контур подключается, чтобы поддержать его [внизу], уменьшая величину отклонения. Источник: М. Хуанг и др., IEEE Journal of Solid-State Circuits, январь 2018 г., стр. 20–34.

Конечно, у обоих этих методов есть свои недостатки.Во-первых, ни один из них не может сравниться с временем отклика сегодняшних аналоговых LDO. Кроме того, для метода адаптивной частоты дискретизации требуются два дополнительных компаратора, а также генерация и калибровка опорных напряжений для спада и выброса, поэтому схема знает, когда задействовать более высокую частоту. Контур с аналоговым управлением включает в себя несколько аналоговых компонентов, что сокращает время разработки полностью цифровой системы.

Развитие коммерческих процессоров SoC может помочь сделать цифровые LDO более успешными, даже если они не могут полностью соответствовать аналоговым характеристикам.Сегодня коммерческие процессоры SoC объединяют полностью цифровые адаптивные схемы, предназначенные для смягчения проблем с производительностью при возникновении провалов. Эти схемы, например, временно увеличивают период тактовой частоты ядра, чтобы предотвратить ошибки синхронизации. Такие методы смягчения могут ослабить временные ограничения переходных процессов, позволяя использовать цифровые LDO и повышая эффективность процессора. Если это произойдет, мы можем ожидать более эффективных смартфонов и других компьютеров, при этом значительно упростив процесс их разработки.

Оптоволокно может увеличить мощность сверхпроводящих квантовых компьютеров

Физики NIST измерили и контролировали сверхпроводящий квантовый бит (кубит), используя светопроводящее волокно (обозначено белой стрелкой) вместо металлических электрических кабелей, таких как 14, показанные здесь, внутри криостата. Используя оптоволокно, исследователи потенциально могут упаковать в квантовый компьютер миллион кубитов, а не несколько тысяч.

Кредит: Ф.Lecocq / NIST

Секрет создания сверхпроводящих квантовых компьютеров с огромной вычислительной мощностью может заключаться в обычной телекоммуникационной технологии - оптоволокне.

Физики из Национального института стандартов и технологий (NIST) измерили и контролировали сверхпроводящий квантовый бит (кубит), используя световодное волокно вместо металлических электрических проводов, проложив путь к упаковке миллиона кубитов в квантовый компьютер, а не просто несколько тысяч.Демонстрация описана в номере от 25 марта Nature.

Сверхпроводящие схемы являются ведущей технологией для создания квантовых компьютеров, поскольку они надежны и легко производятся массово. Но эти схемы должны работать при криогенных температурах, а схемы их подключения к электронике, работающей при комнатной температуре, сложны и склонны к перегреву кубитов. Ожидается, что универсальному квантовому компьютеру, способному решать любые задачи, потребуется около 1 миллиона кубитов.Обычные криостаты - холодильники сверххолодного разбавления - с металлической проводкой могут поддерживать не более тысячи.

Оптическое волокно, являющееся основой телекоммуникационных сетей, имеет стеклянную или пластмассовую сердцевину, которая может передавать большой объем световых сигналов, не проводя тепла. Но сверхпроводящие квантовые компьютеры используют микроволновые импульсы для хранения и обработки информации. Поэтому свет нужно преобразовывать именно в микроволны.

Чтобы решить эту проблему, исследователи NIST объединили волокно с несколькими другими стандартными компонентами, которые преобразуют, передают и измеряют свет на уровне отдельных частиц или фотонов, которые затем можно легко преобразовать в микроволны.Система работала так же, как и металлическая проводка, и поддерживала хрупкие квантовые состояния кубита.

«Я думаю, что этот прогресс будет иметь большое значение, потому что он сочетает в себе две совершенно разные технологии, фотонику и сверхпроводящие кубиты, чтобы решить очень важную проблему», - сказал физик NIST Джон Тойфель. «Оптоволокно также может передавать гораздо больше данных в гораздо меньшем объеме, чем обычный кабель».

Обычно исследователи генерируют микроволновые импульсы при комнатной температуре, а затем доставляют их через коаксиальные металлические кабели к сверхпроводящим кубитам, находящимся в криогенном состоянии.Новая установка NIST использовала оптическое волокно вместо металла для направления световых сигналов к криогенным фотодетекторам, которые преобразовывали сигналы обратно в микроволны и доставляли их на кубит. В целях экспериментального сравнения микроволны могут быть направлены на кубит либо через фотонную связь, либо через обычную коаксиальную линию.

«Трансмонный» кубит, использованный в волоконном эксперименте, был устройством, известным как джозефсоновский переход, встроенным в трехмерный резервуар или полость. Этот переход состоит из двух сверхпроводящих металлов, разделенных диэлектриком.При определенных условиях электрический ток может пересекать переход и колебаться взад и вперед. Применяя определенную микроволновую частоту, исследователи могут переводить кубит между низкоэнергетическим и возбужденным состояниями (1 или 0 в цифровых вычислениях). Эти состояния основаны на количестве куперовских пар - связанных пар электронов с противоположными свойствами - которые «туннелировали» через переход.

Команда NIST провела два типа экспериментов, используя фотонную связь для генерации микроволновых импульсов, которые либо измеряли, либо контролировали квантовое состояние кубита.Этот метод основан на двух соотношениях: частота, с которой микроволны естественным образом отражаются назад и вперед в полости, называемая резонансной частотой, зависит от состояния кубита. А частота переключения состояний кубита зависит от количества фотонов в резонаторе.

Обычно исследователи начинали эксперименты с микроволнового генератора. Чтобы контролировать квантовое состояние кубита, устройства, называемые электрооптическими модуляторами, преобразовывали микроволны в более высокие оптические частоты.Эти световые сигналы проходили через оптическое волокно от комнатной температуры до 4 кельвинов (минус 269 C или минус 452 F) до 20 милликельвинов (тысячных долей кельвина), где они попадали в высокоскоростные полупроводниковые фотодетекторы, которые преобразовывали световые сигналы обратно в микроволны, которые затем были отправлены в квантовый контур.

В этих экспериментах исследователи отправляли сигналы кубиту на его естественной резонансной частоте, чтобы перевести его в желаемое квантовое состояние. Кубит колебался между своим основным и возбужденным состояниями при достаточной мощности лазера.

Чтобы измерить состояние кубита, исследователи использовали инфракрасный лазер для запуска света с определенным уровнем мощности через модуляторы, волокна и фотодетекторы для измерения резонансной частоты полости.

Исследователи сначала запустили колебание кубита при подавлении мощности лазера, а затем использовали фотонную связь для отправки слабого микроволнового импульса в резонатор. Частота резонатора точно указывала состояние кубита в 98% случаев, с такой же точностью, что и при использовании обычной коаксиальной линии.

Исследователи представляют себе квантовый процессор, в котором свет в оптических волокнах передает сигналы к кубитам и от них, причем каждое волокно способно передавать тысячи сигналов к кубиту и обратно.


Бумага: F. Lecocq, F. Quinlan, K. Cicak, J. Aumentado, S.A. Diddams и J.D. Teufel. Управление и считывание сверхпроводящего кубита с помощью фотонной связи. Природа. Опубликовано 25 марта 2021 г. DOI: 10.1038 / s41586-021-03268-x

Introduction to Fiber Optics - Fiber Optic Tutorial

В наш век растущая способность быстрее передавать больше информации на большие расстояния расширила границы нашего технологического развития во многих областях, таких как сети передачи данных, беспроводная и спутниковая связь , кабельные операторы и вещатели.

Все это стало возможным благодаря использованию волоконной оптики, и поскольку технологические требования требуют повышения производительности, количество волоконной оптики будет продолжать развиваться.

Что такое волоконная оптика?

Волоконная оптика, также называемая оптическими волокнами, представляет собой микроскопические нити из очень чистого стекла примерно того же диаметра, что и человеческий волос. Тысячи этих оптических волокон скомпонованы в жгуты в оптических кабелях и используются для передачи световых сигналов на большие расстояния.Жгуты защищены оболочкой, которая является внешней оболочкой кабеля.

Одиночное оптическое волокно состоит из сердцевины, которая представляет собой тонкий стеклянный центр волокна, по которому распространяется свет, внешнего оптического материала, окружающего сердцевину и отражающего свет обратно в нее, - оболочки и пластикового покрытия, защищающего волокно от влаги и повреждений является буферным покрытием.

Одномодовый и многомодовый - это два типа оптических волокон. Одномодовый, используемый на больших расстояниях, имеет небольшие сердечники и передает инфракрасный лазерный свет.Многорежимный, обычно используемый для коротких расстояний, имеет большие сердечники и пропускает инфракрасный свет.

Волоконная оптика по сравнению с медью

Несмотря на то, что волоконно-оптическая система похожа на систему с медным проводом, сегодня волоконная оптика постепенно заменяет медные провода в качестве подходящего средства передачи сигналов связи.

Некоторые преимущества волоконной оптики по сравнению с медью - это экономия в долларах, поскольку они менее дороги, волоконно-оптические волокна тоньше и обладают большей пропускной способностью.Оптические волокна хорошо подходят для передачи цифровой информации. Электричества нет, поэтому опасность возгорания снижена. Волоконно-оптические кабели легкие, занимают меньше места и гибки.

История волоконной оптики

Волоконная оптика восходит к временам Римской империи, но первым был «оптический телеграф», который позволял операторам передавать сообщение с одной башни на другую с помощью серии огней, установленных на башни. Он был изобретен в 1790-х годах французскими братьями Чаппе.В течение следующего столетия оптическая наука достигла больших успехов.

Волоконная оптика в течение 1800-х годов

Физики Даниэль Коллодон и Жак Бабине сообщили в 1840-х годах, что свет может быть направлен вдоль струй воды для фонтанов. В 1854 году британский физик Джон Тиндалл продемонстрировал, что свет может проходить через водяные струи, тем самым доказав, что световой сигнал можно искривлять.

В 1880 году Александр Грэм Белл запатентовал оптическую телефонную систему, которая способствовала развитию оптических технологий.Также в 1880 году Уильям Уиллер изобрел систему световых труб, которые освещали дома с помощью электрической арочной лампы, расположенной в подвале.

Изогнутые стеклянные стержни использовались для освещения полостей тела в 1888 году доктором Ротом и профессором Ройссом из Вены. Генри Сен-Рене разработал систему изогнутых стеклянных стержней для направления световых изображений в ранней телевизионной схеме в 1895 году. В 1898 году американец Дэвид Смит подал заявку на патент на стоматологический осветитель, использующий изогнутый стеклянный стержень.

Волоконная оптика движется вперед в 1900-х годах

Первым человеком, который передал изображение нити накала лампочки через пучок оптических волокон, был Генрих Ламм в 1930 году.Затем Хольгер Моллер Хансен подал заявку на получение датского патента в 1951 году на волоконно-оптическую визуализацию, в которой он предложил плакировать стеклянные или пластиковые волокна прозрачным материалом с низким коэффициентом преломления, но получил отказ из-за патентов Байрда и Ханселла в 1926 году.

An Студент бакалавриата по имени Ларри Кертисс был нанят Бэзилом Хиршовицем и К. Уилбуром Петерсом в 1955 году для работы над проектом волоконно-оптического эндоскопа. В 1956 году компания Curtiss изготовила первые волокна в стеклянной оболочке методом стержня в трубке. А в 1957 году Хиршовиц первым испытал волоконно-оптический эндоскоп на пациенте.

Элиас Снитцер из American Optical опубликовал теоретическое описание одномодовых волокон в 1961 году. В 1970 году ученые из Corning Glass Works достигли своей цели - создать одномодовые волокна с затуханием менее 20 дБ / км. Они достигли этого за счет легирования кварцевого стекла титаном.

В 1973 году Bell Laboratories разработала модифицированный процесс химического осаждения из паровой фазы, который нагревает химические пары и кислород с образованием сверхпрозрачного стекла, из которого можно массово производить оптическое волокно с низкими потерями.Этот процесс по-прежнему остается стандартом для производства оптоволоконных кабелей.

Полиция Дорсета (Великобритания) установила первую неэкспериментальную оптоволоконную линию в 1975 году, а два года спустя в Лонг-Бич, Калифорния, произошел первый прямой телефонный трафик через оптоволокно.

В конце 1970-х - начале 1980-х годов телефонные компании использовали большое количество оптоволоконных кабелей для восстановления своей инфраструктуры связи. В середине 1980-х компания Sprint была основана на первой общенациональной 100-процентной волоконно-оптической сети.

В 1991 году Desurvire и Payne продемонстрировали оптические усилители, встроенные в сам оптоволоконный кабель. Полностью оптическая система может передавать в 100 раз больше информации, чем кабель с электронными усилителями.

Первый полностью оптический волоконно-оптический кабель под названием TPC-5, в котором использовались оптические усилители, был проложен через Тихий океан в 1996 году. В 1997 году волоконно-оптический канал вокруг земного шара (FLAG) стал самой протяженной однокабельной сетью в мире. world и заложил основу для следующего поколения Интернет-приложений.

Сегодня в медицинской, военной, телекоммуникационной, промышленной отраслях, а также в сфере хранения данных, сетей и вещания есть возможность внедрять и использовать волоконно-оптическую технологию в различных приложениях.

Специальные оптические волокна | Связный

Coherent NuBEAM - это многомодовые волокна для доставки луча с низким уровнем потерь и высоким порогом повреждения, которые передают более высокие мощности в системах твердотельных, волоконных и диодных лазеров.

Широкий спектр длин волн - от видимого до инфракрасного. Уникальные возможности - Включает волокна профиля интенсивности цилиндра. Приложения с высокой мощностью - диаметр сердечника от 50 мкм до 1000 мкм

Распределенные оптические волокна для измерения температуры, давления, потока, акустики или деформации, которые работают даже в суровых условиях с превосходными оптическими характеристиками.

Ruggedized - специальные покрытия для высокой прочности и надежности при температурах> 300 ° C Sense More - оптоволокно с высокой пропускной способностью и градуированным показателем преломления для распределенного зондирования с высоким разрешением. Sealed to Last - Сердечники из чистого кремнезема и варианты углеродного покрытия обеспечивают высокий уровень герметичности.

Создайте высокопроизводительные катушки оптоволоконного гироскопа (FOG), а также датчики для авто, космических и оборонных приложений с этими волокнами с высоким двулучепреломлением.

Успех - Чрезвычайно высокое двулучепреломление обеспечивает минимальный дрейф гироскопа. Space Ready - Доступны радиационно-стойкие и радиационно-стойкие сорта. Надежные характеристики - Покрытие с низкой Tg для низкого перекрестного наводки в диапазоне температур от -55 ° C до 105 ° C.
Волокна когерентного лазера и усилителя

исключают SRS и TMI и отличаются высоким качеством моды, отличным поглощением света накачки и исключительно низким фототемнением.

No Limits - Устранение TMI и SRS для успешного масштабирования мощности. Нацелен на качество - качество луча, близкое к дифракционному. Built Tough - Повышенная надежность волокна в сложных условиях.

Создавайте высокопроизводительные хирургические, визуализирующие и спектроскопические системы с когерентными медицинскими волокнами, предлагаемыми во многих форм-факторах и мощностях.

A Cut Above - Оптимизированные волокна для внутривенного введения. Повышенная чувствительность - высокое отношение сигнал / шум для ОКТ и других приложений. Keep it Clean - Сердечник из чистого кремнезема для радиационной стерилизации.
Когерентные волокна NuMKW

разработаны для высокомощных лазерных систем, предлагая непревзойденные характеристики благодаря низкому фотопотемнению, SRS, TMI и высочайшему качеству луча.

Power Up - минимальное затемнение для приложений с высокой мощностью. Connect Effectively - Высокая эффективность связи с согласованными моделями активных и пассивных волокон. Проверенная надежность - рассчитан на увеличенный срок службы в сложных условиях эксплуатации.
Когерентные одномодовые волокна

поддерживают качество луча и сводят к минимуму затухание и дисперсию, и предлагаются от видимого до инфракрасного.

Широкий диапазон длин волн - Выбирайте волокна для работы в диапазоне от 350 нм до 2200 нм, от ультрафиолета до 2,2 мкм. Select Cutoff - Выберите из широкого диапазона длин волн отсечки. Диапазон покрытий - Выберите из акрилата, полиимида и других.
Когерентные многомодовые волокна

поддерживают компоненты лазерных систем, доставку лазерного луча, обработку материалов, хирургию, спектроскопию, LiDAR, метрологию и многое другое.

We Deliver - Передайте больше мощности лазера вашему процессу с минимальным затуханием. Гомогенизировать профили пучка - Включает волокна профиля интенсивности цилиндра. Выбор сердечника - диаметры от 50 мкм до 1000 мкм.

Когерентные волокна NuPANDA - это волокна, сохраняющие поляризацию, с самым широким рабочим диапазоном длин волн, самым высоким двулучепреломлением и высочайшей однородностью поля моды.

PANDA Designs - Для самого широкого рабочего диапазона длин волн, максимального двойного лучепреломления, fh и максимальной однородности поля моды. Can't Beat - Доступен индивидуальный и точный выбор длины удара. Выбор длины волны - от 350 нм до 2000 нм.

NuEYDF-SMR Эрбий-иттербиевое совместное легированное полностью стеклянное активное одномодовое и согласованное пассивное волокно разработано для требовательных приложений для лидаров и спутников.

Harsh Environment - Радиационная стойкость для космических приложений. Beat the Heat - Покрытие HTA позволяет использовать его в автомобилях с высокими температурами. Высокая эффективность - волокна NuEYDF-SMR подавляют паразитный ASE 1 мкм.
Когерентные сверхбыстрые волокна NuUF

отличаются сохранением поляризации, контролем дисперсии, высоким качеством луча, минимальным фотопотемнением и максимальным поглощением.

Повышенная надежность - минимальное затемнение для эффективного масштабирования мощности. Superior Quality - Сохранение высочайшего качества луча. Максимальная эффективность - максимальное поглощение сводит к минимуму длину резонатора и нелинейные эффекты.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *