La invención de la fibra óptica ha impulsado la revolución en el campo de la comunicación. Si no hay fibra óptica para proporcionar canales de alta velocidad de alta capacidad, Internet solo puede permanecer en la etapa teórica. Si el siglo XX era la era de la electricidad, entonces el siglo XXI es la era de la luz. ¿Cómo logra la luz la comunicación? Aprendamos el conocimiento básico de la comunicación óptica junto con el editor a continuación.
Parte 1. Conocimiento básico de la propagación de la luz
Comprender las ondas de luz
Las ondas de luz son en realidad ondas electromagnéticas, y en el espacio libre, la longitud de onda y la frecuencia de las ondas electromagnéticas son inversamente proporcionales. El producto de los dos es igual a la velocidad de la luz, es decir:
Organice las longitudes de onda o las frecuencias de las ondas electromagnéticas para formar un espectro electromagnético. De acuerdo con las diferentes longitudes de onda o frecuencias, las ondas electromagnéticas se pueden dividir en la región de radiación, la región ultravioleta, la región de luz visible, la región infrarroja, la región de microondas, la región de la radio y la región de onda larga. Las bandas utilizadas para la comunicación son principalmente la región infrarroja, la región de microondas y la región de la ola de radio. La siguiente imagen lo ayudará a comprender la división de las bandas de comunicación y los medios de propagación correspondientes en minutos.
El protagonista de este artículo, "Comunicación de fibra óptica", utiliza ondas de luz en la banda infrarroja. Cuando se trata de este punto, la gente puede preguntarse por qué debe estar en la banda de infrarrojos. Este problema está relacionado con la pérdida de transmisión óptica de materiales de fibra óptica, a saber, vidrio de sílice. A continuación, debemos entender cómo las fibras ópticas transmiten luz.
Refracción, reflexión y reflejo total de la luz
Cuando se emite la luz de una sustancia a otra, la refracción y la reflexión se producen en la interfaz entre las dos sustancias, y el ángulo de refracción aumenta con el ángulo de la luz incidente. Como se muestra en la Figura ① → ②. Cuando el ángulo incidente alcanza o excede un cierto ángulo, la luz refractada desaparece y toda la luz incidente se refleja hacia atrás, que es el reflejo total de la luz, como se muestra en ② → ③ en la siguiente figura.
Diferentes materiales tienen diferentes índices de refracción, por lo que la velocidad de propagación de la luz varía en diferentes medios. El índice de refracción está representado por N, N = C/V, donde C es la velocidad en el vacío y V es la velocidad de propagación en el medio. Un medio con un índice de refracción más alto se llama medio ópticamente denso, mientras que un medio con un índice de refracción más bajo se llama medio ópticamente escaso. Las dos condiciones para la reflexión total son:
1. Transmisión de medio ópticamente denso a medio ópticamente escaso
2. El ángulo incidente es mayor o igual al ángulo crítico de reflexión total
Para evitar la fuga de señal óptica y reducir la pérdida de transmisión, la transmisión óptica en fibras ópticas se produce en condiciones de reflexión total.
Parte 2. Introducción a los medios de propagación óptica (fibra óptica)
Con el conocimiento básico de la propagación de la luz de reflexión total, es fácil comprender la estructura de diseño de las fibras ópticas. La fibra desnuda de la fibra óptica se divide en tres capas: la primera capa es el núcleo, que se encuentra en el centro de la fibra y está compuesto por dióxido de silicio de alta pureza, también conocido como vidrio. El diámetro del núcleo es generalmente de 9-10 micras (modo único), 50 o 62.5 micras (modo multimodo). El núcleo de fibra tiene un alto índice de refracción y se usa para transmitir la luz. SEGUNDO DE LA SEGUNDA Capa: ubicado alrededor del núcleo de la fibra, también compuesto de vidrio de sílice (con un diámetro generalmente de 125 micras). El índice de refracción del revestimiento es bajo, formando una condición de reflexión total junto con el núcleo de fibra. La tercera capa de recubrimiento: la capa más externa es un recubrimiento de resina reforzado. El material de la capa protectora tiene alta resistencia y puede soportar grandes impactos, protegiendo la fibra óptica de la erosión del vapor de agua y la abrasión mecánica.
La pérdida de transmisión de fibra óptica es un factor muy importante que afecta la calidad de la comunicación de fibra óptica. Los principales factores que causan la atenuación de las señales ópticas incluyen pérdida de absorción de materiales, pérdida de dispersión durante la transmisión y otras pérdidas causadas por factores como flexión de fibra, compresión y pérdida de acoplamiento.
La longitud de onda de la luz es diferente, y la pérdida de transmisión en las fibras ópticas también es diferente. Para minimizar la pérdida y garantizar el efecto de transmisión, los científicos se han comprometido a encontrar la luz más adecuada. La luz en el rango de longitud de onda de 1260 nm ~ 1360 nm tiene la distorsión de la señal más pequeña causada por la dispersión y la pérdida de absorción más baja. En los primeros días, este rango de longitud de onda se adoptó como la banda de comunicación óptica. Más tarde, después de un largo período de exploración y práctica, los expertos resumieron gradualmente un rango de longitud de onda de baja pérdida (1260 nm ~ 1625 nm), que es más adecuado para la transmisión en fibras ópticas. Por lo tanto, las ondas de luz utilizadas en la comunicación de fibra óptica generalmente están en la banda infrarroja.
Fibra óptica multimodo: transmite múltiples modos, pero la gran dispersión intermodal limita la frecuencia de transmisión de señales digitales, y esta limitación se vuelve más severa al aumentar la distancia de transmisión. Por lo tanto, la distancia de transmisión de fibra óptica multimodo es relativamente corta, generalmente solo unos pocos kilómetros.
Fibra de modo único: con un diámetro de fibra muy pequeño, teóricamente solo se puede transmitir un modo, lo que lo hace adecuado para la comunicación remota.
| Elemento de comparación | Fibra multimodo | Fibra de modo único |
| Costo de fibra óptica | alto costo | bajo costo |
| Requisitos del equipo de transmisión | Bajos requisitos de equipos, bajos costos de equipos | Altos requisitos de equipo, requisitos de alta fuente de luz |
| Atenuación | alto | bajo |
| Longitud de onda de transmisión: 850 nm-1300 nm | 1260NM-1640NM | |
| Conveniente para usar | diámetro de núcleo más grande, fácil de manejar | Conexión más compleja para usar |
| Distancia de transmisión | red local | |
| (Menos de 2 km) | red de acceso | Red de distancia media a larga |
| (Más de 200 km) | ||
| Ancho de banda | Ancho de banda limitado | Ancho de banda casi ilimitado |
| Conclusión | Fiber Optic es más costoso, pero el costo relativo de la activación de la red es más bajo | Mayor rendimiento, pero mayor costo de establecer una red |
Parte 3. Principio de trabajo del sistema de comunicación de fibra óptica
Sistema de comunicación de fibra óptica
Los productos de comunicación comúnmente utilizados, como teléfonos móviles y computadoras, transmiten información en forma de señales eléctricas. Al realizar una comunicación óptica, el primer paso es convertir señales eléctricas en señales ópticas, transmitirlas a través de cables de fibra óptica y luego convertir las señales ópticas en señales eléctricas para lograr el propósito de la transmisión de información. El sistema básico de comunicación óptica consiste en un transmisor óptico, un receptor óptico y un circuito de fibra óptica para la luz de transmisión. Para garantizar la calidad de la transmisión de señal de larga distancia y mejorar el ancho de banda de la transmisión, generalmente se usan repetidores ópticos y multiplexores.
A continuación se muestra una breve introducción al principio de trabajo de cada componente en el sistema de comunicación de fibra óptica.
Transmisor óptico:Convierte señales eléctricas en señales ópticas, principalmente compuestas de moduladores de señal y fuentes de luz.
Multiplexor de señal:Parejas Señales de portador óptico múltiples de diferentes longitudes de onda en la misma fibra óptica para la transmisión, logrando el efecto de duplicar la capacidad de transmisión.
Repetidor óptico:Durante la transmisión, la forma de onda y la intensidad de la señal se deteriorarán, por lo que es necesario restaurar la forma de onda a la forma de onda ordenada de la señal original y aumentar la intensidad de la luz.
Signal Demultiplexer:Descompone la señal multiplexada en sus señales individuales originales.
Receptor óptico:Convierte la señal óptica recibida en una señal eléctrica, compuesta principalmente de un fotodetector y un demodulador.
Parte 4. Ventajas y aplicaciones de la comunicación óptica
Ventajas de la comunicación óptica:
1. Distancia de relé larga, económica y de ahorro de energía
Suponiendo la transmisión de 10 Gbps (10 mil millones 0 o 1 señales por segundo) de información, si se usa la comunicación eléctrica, la señal debe transmitirse y ajustar cada pocos cientos de metros. En comparación con esto, el uso de la comunicación óptica puede lograr una distancia de retransmisión de más de 100 kilómetros. Cuantas menos veces se ajuste la señal, menor será el costo. Por otro lado, el material de fibra óptica es el dióxido de silicio, que tiene abundantes reservas y un costo mucho más bajo que el alambre de cobre. Por lo tanto, la comunicación óptica tiene un efecto económico y de ahorro de energía.
2. Transmisión de información rápida y alta calidad de comunicación
Por ejemplo, ahora cuando se habla con amigos en el extranjero o chateando en línea, el sonido no es tan rezagado como antes. En la era de las telecomunicaciones, la comunicación internacional se basa principalmente en satélites artificiales como relés para la transmisión, lo que resulta en rutas de transmisión más largas y una llegada de señal más lenta. Y la comunicación óptica, con la ayuda de cables submarinos, acorta la distancia de transmisión, lo que hace que la transmisión de información sea más rápida. Por lo tanto, el uso de la comunicación óptica puede lograr una comunicación más suave con el extranjero.
3. Fuerte capacidad anti-interferencia y buena confidencialidad
La comunicación eléctrica puede experimentar errores debido a la interferencia electromagnética, lo que lleva a una disminución en la calidad de la comunicación. Sin embargo, la comunicación óptica no se ve afectada por el ruido eléctrico, lo que la hace más segura y más confiable. Y debido al principio de reflexión total, la señal está completamente limitada a la fibra óptica para la transmisión, por lo que la confidencialidad es buena.
4. Gran capacidad de transmisión
En general, la comunicación eléctrica solo puede transmitir 10 Gbps (10 mil millones 0 o 1 señales por segundo) de información, mientras que la comunicación óptica puede transmitir 1 Tbps (1 billón 0 o 1 señales) de información.
Aplicación de la comunicación óptica
Hay muchas ventajas en la comunicación óptica, y se ha integrado en cada rincón de nuestras vidas desde su desarrollo. Dispositivos como teléfonos móviles, computadoras y teléfonos IP que usan Internet conectan a todos con su región, todo el país e incluso a la red de comunicación global. Por ejemplo, las señales emitidas por computadoras y teléfonos móviles se reúnen en estaciones base del operador de comunicación local y equipos de proveedores de red, y luego se transmiten a varias partes del mundo a través de cables de fibra óptica en cables submarinos.
La realización de actividades diarias como videollamadas, compras en línea, videojuegos y visión de atracones depende de su apoyo y asistencia detrás de escena. La aparición de redes ópticas ha hecho que nuestras vidas sean más cómodas y convenientes.
Tiempo de publicación: mar-31-2025
