Što je jezgra optičkog vlakna? Kompletan vodič

The jezgra an optičko vlakno je središnje, cilindrično svjetlonosno područje vlakna, proizvedeno od ultra čistog silicijevog stakla ili specijalizirane plastike, kroz koje laserski ili LED impulsi kodirani podacima putuju od odašiljača do prijamnika. U jednomodnom vlaknu dizajniranom za telekomunikacije na velikim udaljenostima, ova jezgra mjeri samo 8 do 10 mikrona u promjeru — otprilike jedna desetina debljine ljudske vlasi. Jezgru okružuje sloj staklenog omotača s nešto nižim indeksom loma, a granica između ta dva materijala hvata svjetlost unutar jezgre kroz fizički princip potpune unutarnje refleksije. Prema prepiliuci Međunarodne telekomunikacijske unije (ITU-T) G.652, koja standardizira najraširenije jednomodno optičko vlakno, jezgra mora biti centrirana unutar obloge na pogrešku koncentričnosti manju od 0,6 mikrona kako bi se osigurao mali gubitak spoja i učinkovito spajanje svjetla. Razumijevanje što je jezgra optičkog vlakna temeljna je za razumijevanje zašto moderne optičke mreže mogu prenositi terabita u sekundi podataka preko oceana s repetitorima signala udaljenim više od 100 kilometara.

Fizička struktura i materijal jezgre optičkog vlakna

Jezgra je izrađena od visoko pročišćenog silicij-dioksidnog stakla (SiO₂) koje je dopirano malim količinama germanijevog dioksida ili drugih elemenata za povećanje indeksa kako bi se stvorio indeks loma malo veći od indeksa loma okolnog čistog silicijevog dioksida. Proces proizvodnje, poznat kao modificirano kemijsko taloženje iz pare ili vanjsko taloženje iz pare, počinje stvaranjem predforme—debele staklene šipke duge otprilike jedan metar i promjera dva centimetra. Unutar ovog predforme, područje jezgre nastaje taloženjem sloja na sloj čađe silicijevog dioksida dopiranog germanijem na rotirajući trn unutar tokarilice, a sve unutar strogo čistog okruženja kako bi se spriječila kontaminacija. Nakon što je proces taloženja završen, predforma se zagrijava na približno 2000 stupnjeva Celzijusa (3632 stupnja Fahrenheita) , uzrokujući stapanje čađe u čvrstu, prozirnu šipku s jezgrom točno u središtu. Ovaj predforma se zatim učitava u toranj za izvlačenje, gdje se vrh zagrijava do temperature omekšavanja, a tanka nit se povlači prema dolje mehanizmom za povlačenje. Proces izvlačenja smanjuje promjer predforme od centimetara do konačnog promjera vlakana od 125 mikrona , dok jezgra zadržava svoj proporcionalni promjer—obično 9 mikrona za single-mode or 50 do 62,5 mikrona za više modova vlakno. Prema Corning Incorporatedu, izumitelju optičkog vlakna s niskim gubicima, čistoća staklene jezgre je toliko ekstremna da kad bi se prozor debljine jednog kilometra napravio od ovog materijala, izgledao bi proziran poput okna običnog prozorskog stakla. Nečistoće kao što su željezo, bakar i molekule vode smanjene su na dijelove na milijardu jer bi čak i tragovi raspršili ili apsorbirali svjetlosni signal, stvarajući neprihvatljivo slabljenje na velikim udaljenostima.

Kako jezgra usmjerava svjetlost: Totalna unutarnja refleksija

Jezgra usmjerava svjetlost duž vlakna iskorištavanjem optičkog fenomena potpune unutarnje refleksije na granici jezgre i omotača: kada svjetlost koja putuje u jezgri s višim indeksom udari u granicu pod plitkim kutom, reflektira se u potpunosti natrag u jezgru umjesto da pobjegne u omotač. Fizika iza ovog učinka opisana je Snellovim zakonom refrakcije. Indeks loma jezgre dopirane germanijem je približno 1,47 do 1,48 , dok obloga od čistog silicija ima indeks od približno 1.46 . Mala razlika, poznata kao delta, obično je oko 0,3% do 0,5% za jednomodno vlakno. Svjetlosne zrake koje ulaze u vlakno pod kutom manjim od kuta prihvaćanja pogodit će sučelje jezgre i omotača pod kutom većim od kritičnog i potpuno se reflektirati. Ovaj se proces ponavlja tisućama puta po metru, pomjerajući svjetlosni signal cik-cak niz duljinu vlakna s iznimno malim gubicima. Moderna optička vlakna pokazuju slabljenje samo 0,2 decibela po kilometru na valnoj duljini od 1550 nanometara , što znači da nakon prijeđenih 100 kilometara signal zadržava oko 1% izvorne snage. Ova izvanredna transparentnost, omogućena čistoćom jezgra optičkog vlakna , je razlog zašto interkontinentalni podmorski kabeli mogu obuhvatiti oceanske bazene s pojačanjem samo na diskretnim repetitorskim točkama. Profil indeksa loma jezgre - bilo da se radi o jednostavnom stepenastom indeksu, gdje se indeks naglo mijenja na granici jezgre i omotača, ili o stupnjevitom indeksu, gdje se indeks postupno smanjuje od središta prema van - određuje kako se modovi svjetlosti šire i koliko modalna disperzija ograničava propusnost vlakna.

Jednomodna naspram višemodne jezgre: promjer određuje sve

Promjer jezgre optičkog vlakna određuje hoće li vlakno funkcionirati kao jednomodni valovod koji podržava samo jednu optičku stazu ili kao višemodni valovod koji podržava stotine staza, a ova razlika ima duboke implikacije na propusnost, mogućnost udaljenosti i cijenu sustava. Donja tablica sažima standardne veličine jezgri i njihove odgovarajuće karakteristike performansi.

Zašto veličina jezgre izravno utječe na propusnost i udaljenost

Promjer jezgre određuje broj optičkih modova koje vlakno može podržati, a budući da različiti modovi putuju različitim duljinama puta kroz jezgru, veća jezgra uvodi modalnu disperziju koja širi svjetlosne impulse tijekom vremena i ograničava maksimalnu brzinu prijenosa podataka koja se može postići na udaljenosti. Jednomodni jezgra optičkog vlakna sa svojim promjerom od 9 mikrona djeluje kao valovod koji ograničava svjetlost na jedan, dobro definiran prostorni mod. Budući da postoji samo jedan put, sva svjetlosna energija putuje uglavnom istom brzinom duž osi vlakna, a kratki impuls pokrenut na ulazu stiže na izlaz s minimalnim vremenskim širenjem. Ovo omogućuje sustavima s jednim načinom rada da moduliraju podatke brzinom od 100 gigabita u sekundi ili više i odašiljati te signale preko 80 kilometara bez regeneracije. Nasuprot tome, višemodna jezgra od 50 mikrona omogućuje simultano širenje stotina modova. Svaki način rada slijedi nešto drugačiji cik-cak put kroz jezgru, a načini koji odskaču pod strmijim kutovima prelaze dužu ukupnu udaljenost. Rezultirajuće širenje impulsa, poznato kao modalna disperzija, ograničava standardno OM1 vlakno na oko 300 metara pri 10 gigabita u sekundi . Laserski optimizirano vlakno OM4 to ublažava upotrebom profila stupnjevanog indeksa u jezgri, gdje se indeks loma parabolično smanjuje od središta prema van, uzrokujući brže kretanje vanjskih modova i sužavanje vremena dolaska. Ovo usavršavanje proširuje doseg na 400 metara pri 100 gigabita u sekundi , što je dovoljno za veliku većinu međupovezanosti podatkovnih centara. Fizika jezgra optičkog vlakna stoga predstavlja izravan kompromis: manja jezgra pruža veću propusnost na većim udaljenostima, ali zahtijeva preciznije usklađivanje laserskih izvora i konektora, dok veća jezgra olakšava usklađivanje i smanjuje troškove konektora nauštrb produkta propusnost-udaljenost.

Često postavljana pitanja o jezgrama optičkih vlakana

Od čega je napravljena jezgra optičkog vlakna?

The jezgra an optical fiber izrađen je od ultra čistog silicijevog stakla dopiranog germanijevim dioksidom kako bi se malo podigao njegov indeks loma iznad obloge. Plastične jezgre optičkih vlakana izrađene su od polimetil metakrilata ili polikarbonata. Čistoća stakla kritičan je čimbenik koji omogućuje nisko prigušenje potrebno za komunikaciju na daljinu.

Može li se jezgra optičkog vlakna popraviti ako pukne?

Slomljena jezgra optičkog vlakna ne može se popraviti u smislu ponovnog nevidljivog spajanja. Standardna praksa je čisto odcijepiti slomljene krajeve i zatim ih spojiti uz pomoć električnog luka u aparatu za spajanje. Rezultirajući spoj poravnava jezgre do unutar nekoliko mikrona i stvara kontinuirani stakleni spoj s unesenim gubitkom obično ispod 0,05 decibela . Alternativa za privremene popravke su mehanički spojevi koji koriste fixture za precizno poravnanje i gel za usklađivanje indeksa.

Kako veličina jezgre utječe na boju konektora vlakana?

Industrijski standardni kod boja pomaže tehničarima da na prvi pogled prepoznaju vrstu vlakna. Jednomodni konektori i patch kabeli s jezgrom od 9 mikrona obično su plavi (UPC polish) ili zeleni (APC polish). Višemodni konektori s jezgrom od 50 ili 62,5 mikrona su bež za OM1, crni za OM2, aqua za OM3 i ljubičasti za OM4. Boja konektora ne mijenja optička svojstva jezgra samo po sebi, ali sprječava skupo miješanje nekompatibilnih vrsta vlakana.

Zašto je za manju jezgru potreban laser, a ne LED izvor svjetla?

9 mikrona jezgra an optical fiber dizajniran za jednomodni rad ima površinu poprečnog presjeka od samo oko 60 kvadratnih mikrona. Spajanje svjetla iz LED-a širokog područja u tako mali otvor je krajnje neučinkovito jer većina svjetla LED-a pada izvan kuta prihvaćanja jezgre. Laserska dioda, sa svojim uskim, visoko kolimiranim snopom, može fokusirati mnogo veći postotak svog izlaza izravno u jezgru. Višemodna vlakna s jezgrama od 50 do 62,5 mikrona imaju puno veće područje prihvaćanja i mogu se učinkovito pokretati jeftinijim LED ili laserskim izvorima površinskog emitiranja s okomitom šupljinom.

The jezgra an optical fiber je definirajući element koji određuje može li vlakno prenijeti jedan tok podataka preko oceana ili distribuirati signale velike propusnosti kroz podatkovni centar. Njegov promjer, čistoća i profil indeksa loma rezultat su desetljeća znanosti o materijalima i usavršavanja proizvodnje. Razumijevanje uloge jezgre pojašnjava zašto jednomodna i višemodna vlakna služe tako različitim nišama u modernoj komunikacijskoj infrastrukturi.