Apa prinsip serat optik? Bagaimana cahaya dapat diubah menjadi bentuk sinyal lain?

Serat optik digunakan sebagai pembawa untuk mentransmisikan cahaya, dan pada kedua ujung serat optik, prinsip apa yang digunakan untuk mengubah cahaya menjadi sinyal yang diperlukan?

 

Prinsip serat optik

1, bahan transmisi serat optik:

Serat optik yang digunakan dalam sistem pengkabelan terintegrasi adalah LED kaca multi-mode dengan panjang gelombang 850nm, dengan kecepatan transmisi 100M/bps dan jangkauan efektif sekitar 20Km. Inti dan kelongsong terdiri dari dua media dengan sifat optik berbeda. Medium di dalamnya mempunyai indeks bias cahaya yang lebih tinggi dibandingkan medium di sekitarnya. Dari fisika dapat diketahui bahwa pada antarmuka kedua media, bila cahaya ditembakkan dari sisi indeks bias tinggi ke sisi indeks bias tinggi, selama Sudut datang lebih besar dari nilai kritis, fenomena pemantulan akan terjadi dan energi tidak akan hilang. Pada saat ini, lapisan di sekitar lapisan luar bertindak seperti bahan buram, mencegah cahaya keluar dari permukaan selama proses interpenetrasi. Hanya sinar cahaya dengan Sudut datang awal kecil yang dibiaskan, dan diserap oleh material luar dalam jarak dekat.

Serat optik yang diproduksi saat ini, baik media kaca maupun plastik, dapat mentransmisikan seluruh cahaya tampak dan sebagian spektrum inframerah. Kabel serat optik yang terbuat dari fiber memiliki bentuk struktur yang beragam. Ada dua jenis utama kabel jarak pendek, kabel struktur satu lapis berada di tengah kawat baja atau kawat nilon, bundel luarnya memiliki sejumlah serat optik, dan bagian luarnya ditambah lapisan selubung plastik; Yang lainnya adalah kabel serat optik kepadatan tinggi, yang memiliki beberapa lapisan pita yang ditumpangkan, setiap lapisan pita diletakkan dalam barisan serat optik paralel.

Kabel serat optik yang terbuat dari fiber memiliki bentuk struktur yang beragam. Ada dua jenis utama kabel untuk jarak pendek, struktur satu lapisan. Kabel optik berada di tengah-tengah kawat baja atau kawat nilon, ikatan luarnya mempunyai sejumlah serat optik, dan bagian luarnya ditambah lapisan selubung plastik; Yang lainnya adalah kabel serat optik kepadatan tinggi, yang memiliki beberapa lapisan pita yang ditumpangkan, setiap lapisan pita diletakkan dalam barisan serat optik paralel.

2, proses transmisi serat optik:

Sinyal cahaya yang dipancarkan oleh LED dioda pemancar cahaya atau dioda laser yang disuntikkan ILD merambat di sepanjang media optik, dan fotodioda PIN atau APD menerima sinyal sebagai detektor di ujung lainnya. Modulasi pembawa optik adalah penguncian pergeseran amplitudo, juga dikenal sebagai modulasi intensitas (IntensityModulation). Biasanya, dua bilangan biner diwakili oleh kemunculan dan hilangnya cahaya pada frekuensi tertentu. Sinyal ILD LED dan dioda laser yang disuntikkan dapat dimodulasi dengan cara ini, dengan detektor PIN dan ILD merespons langsung modulasi kecerahan.

Amplifikasi daya - Penguat optik ditempatkan sebelum pemancar optik untuk meningkatkan daya optik serat yang masuk. Kekuatan optik seluruh sistem saluran ditingkatkan. Amplifikasi relai online - Jika kelompok bangunan besar atau jarak antar bangunan jauh, maka dapat memainkan peran amplifikasi relai untuk meningkatkan daya optik. Pra-amplifikasi - Setelah fotodetektor di sisi penerima, sinyal mikro diperkuat untuk meningkatkan kemampuan penerimaan.

3, karakteristik transmisi serat optik:

Kabel optik tidak mudah bercabang, karena mentransmisikan sinyal optik, sehingga umumnya digunakan untuk koneksi point-to-point. Sistem multipoint eksperimental dengan topologi bus serat optik telah dibangun, namun masih terlalu mahal. Pada prinsipnya, karena kehilangan daya serat kecil, penurunannya berkurang, terdapat potensi bandwidth yang besar, sehingga serat umum dapat mendukung jumlah ketukan lebih banyak daripada kabel twisted pair atau koaksial. Saat ini, pemancar berbiaya rendah dan andal adalah LED dioda pemancar cahaya dengan panjang gelombang 0.85um, yang dapat mendukung kecepatan transmisi 100Mbps dan LAN dalam kisaran 1,5 hingga 2KM. Pemancar dioda laser mahal dan tidak dapat memenuhi kebutuhan hidup jutaan jam.

Pin detektor led yang beroperasi pada panjang gelombang {{0}}.85um juga merupakan penerima berbiaya rendah. Penguatan sinyal fotodioda longsoran lebih besar dibandingkan PIN, namun memerlukan catu daya 20 hingga 50V, sedangkan detektor PIN hanya memerlukan catu daya 5V. Untuk jarak yang lebih jauh dan laju yang lebih tinggi, sistem panjang gelombang 1,3um dapat digunakan, yang memiliki sedikit redaman namun lebih mahal daripada sistem panjang gelombang 0,85um. Selain itu, pencocokan konektor serat optik juga sangat penting, sehingga kehilangan koneksi setiap konektor kurang dari 25dB, mudah dipasang, dan harga murah. Semakin besar inti dan bukaan serat, semakin banyak cahaya yang diterima dari LED, semakin baik kinerjanya. Fiber dengan diameter inti 100um dan diameter cladding 140um dapat memberikan performa yang cukup baik. Ia menerima energi cahaya 4dB lebih banyak daripada serat 62,5/125um dan 8,5dB lebih banyak daripada serat 50/125um. Serat yang berjalan pada 0,8um memiliki redaman 6dB/Km, dan serat yang berjalan pada 1,3um memiliki redaman 4dB/Km. Serat optik 0,8um memiliki bandwidth 150MHz/Km, dan serat optik 1,3um memiliki bandwidth 500MHz/Km.

Pada sistem perkabelan terintegrasi sangat cocok dan perlu menggunakan serat optik sebagai media transmisi saluran utama.
Saat ini, semacam teknologi multiplexing DIVISI PANJANG GELOMBANG optik WDM (Divisi Panjang Gelombang MULTI-PLEXING) dapat dimultipleks, dikirim, dan ditransmisikan melalui saluran, umumnya menurut transmisi paralel delapan bit byte, menggunakan panjang gelombang yang berbeda untuk setiap aliran bit, sehingga perlu dukungan agar rangkaian dapat berjalan dengan kecepatan rendah. Tautan serat optik WDM adalah sistem transmisi data baru, yang cocok untuk antarmuka perangkat lebar byte.

(l) Komunikasi laser

Menggunakan cahaya untuk mengirimkan informasi sangat umum saat ini. Misalnya kapal menggunakan lampu untuk berkomunikasi, dan lampu lalu lintas menggunakan warna merah, kuning, dan hijau. Namun semua cara penyampaian informasi menggunakan cahaya biasa hanya dapat dibatasi pada jarak pendek. Jika ingin mengirimkan informasi langsung ke tempat yang jauh melalui cahaya, tidak bisa menggunakan cahaya biasa, melainkan hanya menggunakan laser.

Jadi bagaimana Anda mengirimkan laser? Kita tahu bahwa listrik dapat dialirkan melalui kabel tembaga, namun cahaya tidak dapat dialirkan melalui kabel logam biasa. Untuk tujuan ini, para ilmuwan telah mengembangkan filamen yang dapat mentransmisikan cahaya, yang disebut serat optik, yang disebut serat. Serat optik terbuat dari bahan kaca khusus, diameternya lebih tipis dari rambut manusia, biasanya 50 hingga 150 mikron, dan sangat lembut.

Faktanya, inti bagian dalam serat adalah kaca optik transparan dengan indeks bias tinggi, dan lapisan luar terbuat dari kaca atau plastik dengan indeks bias rendah. Struktur seperti itu, di satu sisi, dapat membuat cahaya dibiaskan di sepanjang inti bagian dalam, seperti air yang mengalir ke depan dalam pipa air, listrik disalurkan ke depan di dalam kawat, meskipun ribuan putaran dan putaran tidak berpengaruh. Sebaliknya, lapisan indeks bias rendah dapat mencegah bocornya cahaya, seperti halnya pipa air tidak merembes dan lapisan insulasi kawat tidak menghantarkan listrik.

Munculnya serat optik memecahkan cara transmisi cahaya, namun bukan berarti dengan serat optik, cahaya apa pun dapat ditransmisikan hingga jarak yang sangat jauh. Hanya kecerahan tinggi, warna murni, laser terarah yang baik, yang merupakan sumber cahaya paling ideal untuk mengirimkan informasi, masukan dari salah satu ujung serat, hampir tidak ada kehilangan dan keluaran dari ujung lainnya. Oleh karena itu, komunikasi optik pada dasarnya adalah komunikasi laser, yang memiliki keunggulan berupa kapasitas besar, kualitas tinggi, sumber bahan luas, kerahasiaan yang kuat, daya tahan, dll., dan dipuji oleh para ilmuwan sebagai sebuah revolusi di bidang komunikasi, dan merupakan salah satu salah satu pencapaian paling cemerlang dalam revolusi teknologi.

Di manakah komunikasi laser maju? Keuntungan komunikasi laser yang pertama adalah kapasitasnya yang besar. Seberapa besar kapasitasnya? Ketika kita biasanya berbicara di telepon, kita berbicara dengan suara yang tidak berhubungan dan terkadang tercampur. Fenomena perkelahian ini disebabkan oleh fakta bahwa hanya satu panggilan yang dapat dilakukan melalui saluran telepon, dan jika telepon lain masuk, kedua sisi normal. telepon akan terganggu. Jika ada 10 orang berbicara dalam satu saluran telepon pada waktu yang sama, sama dengan 20 orang berbicara pada waktu yang sama, maka tidak ada komunikasi sama sekali. Untuk mengatasi masalah ini, perlu menggunakan operator dan metode lain untuk membuat setiap telepon di setiap pita frekuensi. Karena rentang frekuensi telepon biasa adalah 300 ~ 400 Hertz, dan frekuensi tertinggi pada sepasang saluran telepon hanya 1500 KHZ, maka hanya belasan telepon yang dapat diteruskan pada sepasang saluran telepon dalam waktu yang bersamaan. Jelas sekali, kapasitas telekomunikasi seperti itu masih jauh dari memenuhi kebutuhan masyarakat informasi saat ini.

Jika kita membandingkan transmisi informasi telepon biasa dengan troli, maka komunikasi laser adalah sebuah mobil. Karena frekuensi laser jauh lebih tinggi dibandingkan gelombang radio, kapasitas informasi komunikasi laser 1 miliar kali lebih besar dibandingkan komunikasi listrik. Serat optik yang lebih tipis dari rambut manusia dapat membawa puluhan ribu panggilan telepon atau ribuan program televisi. 20 kabel serat optik setebal pensil dan dapat menangani 76.200 panggilan per hari. Sebagai perbandingan, kabel yang terbuat dari 1.800 kabel tembaga dengan diameter sekitar 7,6 sentimeter hanya dapat melakukan 900 panggilan per hari.

Yang sangat mengejutkan adalah komunikasi serat optik sangat cocok untuk transmisi televisi, gambar, dan digital. Dilaporkan bahwa sepasang serat optik dapat mengirimkan seluruh Encyclopaedia Britannica dalam satu menit.

Selain itu, bahan yang digunakan untuk membuat serat optik adalah kuarsa, yang terdapat di seluruh bumi, dan hanya beberapa gram kuarsa yang dapat membuat serat optik sepanjang 1 kilometer. Dengan cara ini, tidak hanya bahan bakunya yang tidak akan habis, tetapi tembaga dan aluminium juga bisa dihemat secara signifikan. Oleh karena itu, negara-negara maju di dunia berlomba-lomba mempelajari komunikasi laser. Jadi komunikasi laser telah menjadi kesayangan pembangunan.

Dalam sejarah teknologi komunikasi, perkembangan teknologi komunikasi serat optik belum pernah terjadi sebelumnya. Mengambil beberapa tonggak sejarah dalam sejarah teknologi komunikasi, diperlukan waktu sekitar 60 tahun bagi telepon untuk ditemukan dan diterapkan, dan komunikasi telepon masih digunakan secara luas hingga saat ini. Teknologi radio, seperti telegraf, juga membutuhkan waktu sekitar 30 tahun dari penemuan hingga penerapannya. Meskipun teknologi televisi telah berkembang pesat, namun usianya masih sekitar 14 tahun. Komunikasi laser, dari lahirnya serat optik low-loss pertama hingga penerapannya, totalnya hanya 5 tahun. Kini komunikasi laser tidak hanya digunakan secara luas, tetapi juga membentuk pasar serat optik yang besar.

Pada bulan Mei 1977, ada sebuah perusahaan besar di Amerika Serikat bernama Telegraph and Telephone Company, yang memasang jalur komunikasi serat optik jarak pendek pertama di dunia antara dua kantor telepon di Chicago, dan kemudian mendirikan jalur komunikasi laser jarak pendek. dengan total panjang ratusan kilometer di hampir 100 tempat di seluruh Amerika Serikat. Artinya dalam jarak dekat, komunikasi laser sudah mulai menggantikan komunikasi listrik biasa. Pada tahun 1983, komunikasi serat optik sepanjang 600 kilometer antara New York dan Boston telah mulai digunakan.

Amerika Serikat diikuti oleh Jepang. Pada tahun 1984, Jepang menyelesaikan jalur utama komunikasi serat optik jarak jauh dari Sapporo di Hokkaido ke Fukuoka di Kyushu, dengan total panjang 2.800 kilometer, menghubungkan lebih dari 30 kota. Pada bulan Desember 1993, kabel serat optik melintasi Laut Cina Timur antara Tiongkok dan Jepang berhasil dipasang. Kabel bawah laut sepanjang 10,{7}}kilometer melintasi Pasifik antara Jepang dan Amerika Serikat juga sedang dirancang.

Karena pesatnya perkembangan komunikasi serat optik, Amerika Serikat, Jepang, Inggris, Perancis dan negara-negara industri maju lainnya telah mendirikan perusahaan produksi serat optik dan kabel optik. Tiga perusahaan serat optik dan kabel terkenal di dunia - Western Electric Company Amerika Serikat, Corning Company, dan Sumitomo Corporation Jepang, produksi serat optik lebih dari 120,000 kilometer per tahun.

Singkatnya, negara-negara industri maju telah membangun jaringan komunikasi serat optik nasional untuk sepenuhnya menggantikan kawat dan kabel tembaga saat ini, proyek teknis yang luas ini diperkirakan akan selesai pada tahun 2000. Pada saat itu, komunikasi laser akan membawa manfaat besar. perubahan pada planet kita. Misalnya, Anda dapat menggunakan jaringan serat optik untuk mengerjakan dokumen atau menghadiri rapat di rumah tanpa harus keluar rumah; Atau menghubungkan jaringan fiber optik rumah ke pusat perbelanjaan, seperti berada di supermarket, duduk di rumah membeli barang yang dibutuhkan, dan pembayarannya hanya perlu diselesaikan dengan sistem belanja keuangan elektronik. Pusat kesehatan di seluruh dunia juga dapat melihat kondisi pasien dan laporan laboratorium dari layar, dan mengeluarkan resep sesuai dengan itu, sehingga benar-benar mencapai "sarjana tidak keluar, mengenal dunia", "menyusun strategi di tenda, kemenangan yang menentukan ribuan mil jauhnya".

Laser dan serat optik juga dapat mengirimkan gambar. Pertama, satu serat optik, yang diameternya lebih kecil dari rambut manusia, digabungkan menjadi satu bundel serat. Dalam proses penyampaian informasi, ada dua jenis kumpulan serat yang biasa digunakan: yang satu disebut berkas cahaya, dan yang lainnya disebut berkas gambar. Tugas transmisi berkas adalah membawa cahaya dari satu ujung ke ujung lainnya. Struktur transmisi sinar relatif sederhana, terdiri dari sejumlah monofilamen yang diikat menjadi satu, kemudian permukaan ujungnya dipoles dan digiling untuk mengurangi pantulan dan hamburan cahaya yang hilang ke dalam serat, dan kemudian selubung plastik dipasang. di bagian luar transmisi sinar.

Karena serat optik hanya dapat mentransmisikan satu titik, maka untuk mengirimkan seluruh gambar, serat pemandu optik harus tersusun rapi satu per satu, sehingga kumpulan serat optik disebut berkas gambar.

Pada bundel transmisi gambar, semua serat optik tersusun rapi, dan posisi kedua ujungnya saling bersesuaian satu per satu, tidak semrawut sama sekali, seperti sumpit yang rapi. Misalnya, jika salah satu ujung serat optik berada pada baris kedelapan dan kolom kedelapan berkas transmisi gambar, maka ujung lainnya juga berada pada posisi kedelapan atau kedelapan.

Saat mentransmisikan gambar, berkas gambar pertama-tama membagi gambar menjadi bentuk jaring, yaitu gambar dipecah menjadi piksel yang tak terhitung jumlahnya oleh serat optik yang tak terhitung jumlahnya, dan kemudian ditransmisikan keluar. Satu serat optik bertanggung jawab untuk mentransmisikan satu piksel, dan serat optik yang tak terhitung jumlahnya dapat mengirimkan seluruh gambar ke ujung lainnya. Jika ingin transmisi gambar menjadi jernih maka perlu dipilih diameter serat yang lebih tipis, karena semakin tipis serat maka semakin banyak cahaya yang dapat ditampung pada berkas transmisi gambar tertentu, sehingga semakin banyak piksel yang dapat ditransmisikan. Tentu saja, semakin banyak piksel, semakin jelas gambarnya.

Sinar gambar yang digunakan saat ini terdiri dari puluhan ribu serat optik, dan tidak mudah untuk menyusun serat optik sebanyak itu dengan rapi. Setelah penataan, perekat organik yang disebut resin epoksi digunakan untuk merekatkan kedua ujungnya, sehingga serat optik terikat dan diperbaiki, memastikan bahwa serat optik di kedua ujungnya bersesuaian satu per satu. Kedua ujungnya juga harus dihaluskan dan dipoles. Sedangkan untuk bagian tengahnya tidak harus direkatkan dengan kuat, melainkan dilonggarkan seperti tali erhu, hanya perlu ditambahkan selongsong plastik pelindung di bagian luarnya, agar ikatan transmisi gambarnya empuk dan bisa ditekuk sembarangan.

Selain transmisi gambar, pancaran gambar juga dapat mengirimkan simbol atau angka umum, serta memperbesar atau memperkecil gambar.

Untuk memperbesar bayangan, berkas cahaya dapat diperbesar pada salah satu ujung dan diperkecil pada ujung lainnya, seperti kerucut. Ketika elemen gambar dilewatkan dari ujung kecil ke ujung besar, seluruh gambar diperbesar. Sebaliknya, jika gambar dikirim dari ujung besar ke ujung kecil, keseluruhan gambar akan diperkecil.

Selain itu, serat optik dapat digunakan untuk mengubah gambar. Jika susunan serat optik sengaja diganggu sesuai kebutuhan, piksel pada ujung keluar tidak dapat jatuh pada titik awal yang sesuai, tetapi jatuh pada titik konsepsi subjektif, sehingga gambar berubah. Jika serat optik pada ujung masuk elemen gambar dibuat persegi, dan serat optik pada ujung keluar dibuat melingkar, maka elemen gambar persegi dapat diubah menjadi elemen gambar melingkar.

Singkatnya, berkas gambar serat optik memiliki potensi pengembangan yang besar, dan akan semakin menunjukkan peran uniknya dalam teknologi pemrosesan informasi optik di masa depan.