Vad är fiberoptisk kabel

Idag används fiberoptiska kablar i stor utsträckning för att överföra data. De har helt ersatt traditionella metallbaserade kommunikationsledningar inom vissa IT-områden. Fiberoptiska kablar är särskilt effektiva i tillämpningar där stora mängder data måste överföras över långa avstånd.

Fysikalisk grund för fiberoptik

Optiska fibrer bygger på den fysiska principen om totalreflektion. Om vi tar två medier med olika brytningsindex n₁ och n₂, där n₂< n₁ (t.ex. luft och glas eller glas och genomskinlig plast) och projicerar en ljusstråle i en vinkel α mot gränssnittet, kommer två händelser att inträffa.

Strålen (markerad med rött i figuren), som projiceras uppifrån till vänster (pilen), bryts delvis och färdas längs mediet med brytningsindex n₂ i en vinkel α₁<α - denna del av strålen är markerad med den streckade linjen. Den andra delen av strålen kommer att reflekteras från gränssnittet i samma vinkel. Om vi låter strålen falla i en långsammare vinkel β (den gröna strålen i figuren) kommer samma sak att hända - partiell reflektion och partiell brytning i en vinkel β₁.

Om den infallande vinkeln α minskas ytterligare (blå stråle i figuren) kommer den brytande delen av strålen att "glida" nästan parallellt med gränssnittet (blå streckad linje). En ytterligare minskning av infallsvinkeln (grön stråle infallande i en vinkel β) kommer att orsaka ett kvalitativt hopp - den refrakterade delen kommer att saknas. Strålen kommer att reflekteras fullständigt från gränssnittet mellan de två medierna. Denna vinkel kallas totalreflektionsvinkel och fenomenet kallas totalreflektion. Samma sak kommer att observeras när infallsvinkeln minskar ytterligare.

Konstruktion av en optisk fiber

Optiska fibrer bygger på denna princip. Den består av två koaxiala lager med olika optisk täthet.

Om en ljusstråle går in i den öppna änden av en fiber i en vinkel som är större än ljusreflektionsvinkeln kommer den att reflekteras fullständigt från kontaktytan av två medier med olika brytningsindex, med liten dämpning vid varje "hopp".

Den yttre delen av fiberoptiken är tillverkad av plast. Den inre kan också vara gjord av genomskinlig plast, då kan den böjas i ganska stora vinklar (till och med rullas ihop till en ring, och ljuset som kommer in i den kommer fortfarande att passera från den ena änden till den andra med dämpning, beroende på plastens optiska egenskaper och ljusledarens längd). För långdistanskablar, där flexibilitet inte är så viktigt, är den inre kärnan vanligtvis gjord av glas. Detta minskar dämpningen och kostnaden för fiberoptiken, men den blir känslig för böjning.

För att öka kapaciteten hos en optisk linje finns fibern i en version med dubbla eller flera modus. För detta ändamål ökas kärnans tvärsnitt till 50 µm eller 62,5 µm (jämfört med 10 µm för single-mode). Två eller flera signaler kan överföras samtidigt genom den optiska fibern.

Denna optiska överföringsledning har vissa nackdelar. En av dem är den ljusspridning som orsakas av den olika vägen för varje signal. De har lärt sig att motverka detta genom att tillverka en kärna med ett gradient (som förändras från mitten till kanterna) brytningsindex. Detta korrigerar de olika strålarnas banor.

Multimodala fiberoptiska kablar används främst för lokala nätverk (inom en byggnad, ett företag osv.) och enkelmodala fiberoptiska kablar används för långdistansöverföringsledningar.

Utformning av en fiberoptisk linje

Fiberoptiska kablar transporterar en ljussignal som produceras av en lysdiod eller laser. En elektrisk signal genereras i sändarenheten. Den slutliga enheten behöver också signalen i form av elektriska pulser. Det är därför nödvändigt att konvertera rådata två gånger. I figuren visas ett förenklat diagram över en fiberoptisk ledning.

Signalen från sändarenheten omvandlas till ljuspulser och överförs via den optiska linjen. Effekten hos sändarna på sändarsidan är begränsad, så anordningar som kompenserar för dämpningen - optiska förstärkare, regeneratorer eller repeaters - placeras med vissa intervall på långa linjer. På mottagarsidan finns en annan omvandlare som omvandlar den optiska signalen till en elektrisk signal.

Konstruktion av optisk kabel

Enskilda fibrer används som en del av en optisk kabel för att skapa en fiberoptisk linje. Dess konstruktion beror på syftet med överföringsledningen och på förläggningsmetoden, men i allmänhet består den av flera fibrer med en individuell skyddande beläggning (mot repor och mekaniska skador). Detta skydd sker vanligtvis i två skikt - först ett hölje av komposit och sedan en ytterligare beläggning av plast eller lack ovanpå. Fibrerna är inneslutna i ett gemensamt hölje (som liknar konventionella elkablar), vilket bestämmer kabelns användningsområde och väljs utifrån de yttre påverkan som ledningen kommer att utsättas för under drift.

När kablarna installeras i kabelrännor finns det ett problem med att skydda ledningarna mot gnagare. I det här fallet måste man välja en kabel med ytterhölje som är förstärkt med stålband eller trådarmering. Glasfibrer används också som skydd mot skador.

Om kabeln förläggs i ett rör behövs inte det förstärkta höljet. Metallröret skyddar tillförlitligt mot möss och råttors tänder. Den yttre manteln kan göras lättare. Detta gör det lättare att dra kabeln inuti röret.

Om ledningen ska förläggas i marken är skyddet i form av korrosionsskyddad trådarmering eller glasfiberstänger. Detta ger hög motståndskraft inte bara mot kompression utan även mot dragning.

Om kabeln ska installeras i havsområden, över floder eller andra vattenhinder, på sumpig mark etc. används ytterligare skydd med hjälp av aluminiumpolymerband. På så sätt skyddas kabeln mot vatteninträngning.

Många kablar har också ett gemensamt hölje inuti:

• Förstärkningsstänger som ger konstruktionen större styrka när den utsätts för yttre mekaniska påfrestningar och när linan förlängs termiskt;
• Fyllmedel - plastfilament som fyller ut tomma utrymmen mellan fibrer och andra element.
• kraftstänger (deras syfte är att öka dragbelastningen).

I långa spännvidder är linjen upphängd i en kabel, men det finns även självbärande kablar. Den bärande metallkabeln är inbyggd direkt i manteln.

Som en separat typ av fiberoptisk ledning bör vi nämna optiska kopplingskablar. Denna kabel innehåller en eller två fibrer (single-mode eller dual-mode) som är inneslutna i ett gemensamt hölje. Båda sidorna av sladden är försedda med kontakter för anslutning. Dessa kablar är mycket korta och används för att ansluta utrustning över korta avstånd eller för kabeldragning i skåp.

Fördelar och nackdelar med optiska kablar

De obestridliga fördelarna med fiberoptiska kablar, som har lett till att de används i stor utsträckning, är bland annat följande:

• Hög störningsimmunitet - ljussignalen påverkas inte av elektromagnetisk strålning från hushåll och industri, och linjen i sig avger ingen strålning (detta försvårar obehörig åtkomst till den överförda informationen och skapar inga problem med elektromagnetisk kompatibilitet);
• Fullständig galvanisk isolering mellan mottagar- och sändarsidan;
• Låg dämpning - mycket lägre än för trådledningar;
• lång livslängd;
• Hög överföringskapacitet.

I dagens läge är det också viktigt att kabeln inte lockar till sig metalltjuvar.

Optik är inte utan nackdelar. Först och främst är det en komplexitet av installation och anslutning, vilket kräver speciell utrustning, verktyg och material, samt ställer högre krav på kvalificering av personal som är involverad i installation och underhåll av linjer. De flesta fel i fiberoptiska kablar orsakas av installationsfel, som kanske inte visar sig omedelbart. Till en början var kostnaden för själva linjen också hög, men tekniska framsteg har gjort det möjligt att minska denna nackdel till konkurrenskraftiga nivåer.

Optiska linjer har fått en betydande marknadsandel på kommunikationsmarknaden. Det finns inget seriöst alternativ inom överskådlig framtid, såvida det inte sker ett tekniskt genombrott.

Relaterade artiklar: