光ファイバの基本的な知識

光ファイバの発明は、コミュニケーションの分野での革命を駆り立てました。大容量の高速チャネルを提供する光ファイバがない場合、インターネットは理論的段階にのみ留まることができます。 20世紀が電気の時代だった場合、21世紀は光の時代です。光はどのようにコミュニケーションを実現しますか？以下の編集者と一緒に光学通信の基本的な知識を学びましょう。

パート1。光伝播に関する基本的な知識

光波を理解する
光波は実際には電磁波であり、自由空間では、電磁波の波長と周波数は反比例します。 2つの積は、光の速度に等しい、つまり：

電磁波の波長または周波数を電磁波の波長または周波数を配置して、電磁スペクトルを形成します。異なる波長または周波数によれば、電磁波は、放射線領域、紫外線領域、可視光領域、赤外線領域、マイクロ波領域、電波波領域、および長波領域に分割できます。コミュニケーションに使用されるバンドは、主に赤外線領域、マイクロ波領域、無線波領域です。次の画像は、数分でコミュニケーションバンドと対応する伝播メディアの分割を理解するのに役立ちます。

この記事の主人公「光ファイバーコミュニケーション」は、赤外線バンドで光波を使用しています。この点に関しては、なぜそれが赤外線バンドにいるに違いないのだろうと人々は疑問に思うかもしれません。この問題は、光ファイバー材料の光透過損失、すなわちシリカガラスに関連しています。次に、光学繊維がどのように光を送信するかを理解する必要があります。

屈折、反射、および光の完全な反射

ある物質から別の物質に光が放出されると、2つの物質間の界面で屈折と反射が発生し、入射光の角度とともに屈折角が増加します。図→②に示すように。入射角が特定の角度に達するか、それを超えると、屈折した光が消え、すべての入射光が反射されます。

材料が異なると、屈折率が異なるため、媒体ごとに光の伝播速度が異なります。屈折率はn、n = c/vで表されます。ここで、cは真空の速度であり、vは培地の伝播速度です。屈折率が高い培地は光学的に密な培地と呼ばれ、屈折率が低い培地は光学的スパース培地と呼ばれます。全反射が発生する2つの条件は次のとおりです。
1。光学的に密な培地から光学的に疎培地への伝送
2。入射角は、総反射の臨界角以上に大きくなります
光信号の漏れを回避し、伝送損失を減らすために、総反射条件下で光繊維の光透過が発生します。

パート2。光伝播メディアの紹介（光ファイバー）

光ファイバー構造

全反射光伝播に関する基本的な知識により、光繊維の設計構造を簡単に理解することができます。光ファイバーの裸繊維は3つの層に分割されます。最初の層は、繊維の中心に位置し、ガラスとも呼ばれる高純度の二酸化シリコンで構成されているコアです。コア直径は一般に9〜10ミクロン（シングルモード）、50または62.5マイクロン（マルチモード）です。ファイバーコアには高い屈折率があり、光の送信に使用されます。 2番目の層クラッディング：繊維コアの周りにあり、シリカガラスで構成されています（一般に125ミクロンの直径）。クラッディングの屈折率は低く、繊維コアと一緒に全反射条件を形成します。 3番目のコーティング層：最も外側の層は、強化された樹脂コーティングです。保護層材料は高強度を持ち、大きな衝撃に耐えることができ、水蒸気の侵食と機械的摩耗から光繊維を保護します。

光伝送損失

光ファイバー伝送損失は、光ファイバー通信の品質に影響を与える非常に重要な要因です。光学信号の減衰を引き起こす主な要因には、材料の吸収損失、伝播中の散乱損失、および繊維の曲げ、圧縮、ドッキング損失などの要因によって引き起こされるその他の損失が含まれます。

光の波長は異なり、光繊維の透過損失も異なります。損失を最小限に抑え、伝播効果を確保するために、科学者は最も適切な光を見つけることに取り組んできました。 1260nm〜1360nmの波長範囲の光は、分散と最低の吸収損失によって引き起こされる最小の信号歪みを持っています。初期の頃、この波長範囲は光学通信バンドとして採用されていました。その後、長期にわたる探索と実践の後、専門家は徐々に低損失波長範囲（1260nm〜1625nm）を要約しました。これは、光ファイバーの伝播に最も適しています。したがって、光ファイバー通信で使用される光波は一般に赤外線帯にあります。

光ファイバー分類

マルチモード光ファイバー：複数のモードを送信しますが、大規模なモーダル分散は、デジタル信号を送信する頻度を制限し、この制限は伝送距離の増加に応じてより深刻になります。したがって、マルチモードファイバー伝送の距離は比較的短く、通常は数キロだけです。
シングルモードファイバー：繊維の直径が非常に小さく、理論的には1つのモードのみを送信できるため、リモート通信に適しています。

パート3。光ファイバー通信システムの作業原則

光ファイバー通信システム

携帯電話やコンピューターなど、一般的に使用される通信製品は、電気信号の形で情報を送信します。光学通信を実行するとき、最初のステップは、電気信号を光学信号に変換し、光ファイバーケーブルを介して送信し、光信号を電気信号に変換して情報伝送の目的を実現することです。基本的な光学通信システムは、光学送信機、光学受信機、および光を送信するための光ファイバー回路で構成されています。長距離信号伝送の品質を確保し、トランスミッション帯域幅を改善するために、一般的に光学リピーターとマルチプレクサが使用されます。

以下は、光ファイバー通信システムの各コンポーネントの作業原則の簡単な紹介です。

光送信機：主に信号モジュレーターと光源で構成される電気信号を光信号に変換します。

信号マルチプレクサ：異なる波長の複数の光学キャリア信号を、透過のために同じ光ファイバにカップし、倍増する容量の効果を達成します。

光学リピーター：伝送中、信号の波形と強度は劣化するため、波形を元の信号のきちんとした波形に復元し、光強度を高める必要があります。

Signal Demultiplexer：多重化された信号を元の個々の信号に分解します。

光学受信機：受信した光信号を、主に光検出器と復調器で構成される電気信号に変換します。

パート4。光学通信の利点と応用

光学通信の利点：

1.長いリレー距離、経済的、省エネ
電気通信が使用される場合、10 Gbps（1秒あたり100億0または1の信号）の送信を仮定すると、数百メートルごとに信号を中継および調整する必要があります。これと比較して、光学通信を使用すると、100キロメートル以上のリレー距離を達成できます。信号の調整が少ないほど、コストが低くなります。一方、光繊維の材料は二酸化シリコンであり、豊富な埋蔵量があり、銅線よりもはるかに低いコストがあります。したがって、光学通信には経済的および省略効果があります。

2。高速情報伝送と高い通信品質

たとえば、海外の友人と話したり、オンラインでチャットしたりするとき、音は以前ほど遅れていません。電気通信の時代において、国際的なコミュニケーションは主に伝送のリレーとして人工衛星に依存しており、その結果、伝送経路が長くなり、信号の到着が遅くなります。潜水艦ケーブルの助けを借りて、光学通信は送信距離を短くし、情報伝達をより速くします。したがって、光学通信を使用すると、海外とのよりスムーズな通信を実現できます。

3.強力な干渉能力と優れた機密性

電気通信は、電磁干渉によりエラーが発生し、通信品質の低下につながる場合があります。ただし、光学通信は電気ノイズの影響を受けず、より安全で信頼性が高くなります。また、完全な反射の原理により、信号は伝送用の光ファイバに完全に限定されているため、機密性は良好です。

4。大きな伝送容量
一般に、電気通信は10gbps（1秒あたり100億0または1の信号）の情報のみを送信できますが、光学通信は1tbps（1兆個または1シグナル）の情報を送信できます。

光学通信の適用

光学通信には多くの利点があり、その発展以来私たちの生活のあらゆる角に統合されています。インターネットを使用する携帯電話、コンピューター、IP電話などのデバイスは、すべての人を地域、国全体、さらにはグローバル通信ネットワークに接続します。たとえば、コンピューターと携帯電話によって放出される信号は、地元の通信オペレーターのベースステーションとネットワークプロバイダー機器に集まり、潜水艦ケーブルの光ファイバーケーブルを介して世界のさまざまな部分に送信されます。

ビデオ通話、オンラインショッピング、ビデオゲーム、視聴者全員が舞台裏でサポートと支援に依存しているなどの毎日のアクティビティの実現。光ネットワークの出現により、私たちの生活はより快適で便利になりました。