Hoe vezels werken: wat houdt licht in vezels?

Tegenwoordig heeft snelle glasvezelconnectiviteit een revolutie teweeggebracht in de manier waarop we leven, werken en communiceren. De groeiende mondiale vraag naar bandbreedte en systeembetrouwbaarheid stimuleert de voortdurende acceptatie van hyperscale-technologieën, waarbij schaalbare, volledig glasvezelnetwerken een naadloze gegevensstroom mogelijk maken in tijden van piekvraag. Voordat we dieper ingaan op de principes van glasvezel, laten we eerst even kijken naar de voordelen van de overgang van traditionele, op koper gebaseerde infrastructuur naar moderne glasvezeltechnologie. Vergeleken met de datatransmissiesnelheid van traditionele koperkabels kan glasvezelbekabeling een hogere transmissiesnelheid bieden. Dit zijn natuurlijk alle voordelen van glasvezel. In tegenstelling tot traditionele koperen bekabeling verzendt glasvezel gegevens in de vorm van licht in plaats van elektriciteit, waardoor warmteproblemen in strak bekabelde leidingen en netwerken met hoge dichtheid worden geminimaliseerd. Bovendien kan een enkele vezel het signaal over een afstand van ruim 100 kilometer doorgeven, terwijl de signaalverzwakking in de koperen kabel al op ongeveer 100 meter optreedt. Het lijdt geen twijfel dat glasvezeltechnologie de ruggengraat vormt van de toekomstige hyperverbonden wereld met hoge snelheid, lage latentie. Om uit te leggen hoe glasvezel werkt en om te bepalen wat licht in glasvezel vasthoudt, zal dit artikel een kort overzicht geven van de fundamentele kenmerken van glasvezeltechnologie, waarbij de relevante factoren, processen en wetenschappelijke principes samenkomen die ten grondslag liggen aan de complementaire technologieën die de drijvende kracht zijn achter glasvezeltechnologie. de toekomstperspectieven van glasvezelconnectiviteit.

Optische kabel: structuur en samenstelling

Een glasvezelkabel bestaat uit drie belangrijke componenten. Eén daarvan is de lichtdragende kern, gevolgd door de bekleding en ten slotte de beschermende buitenlaag (ook wel schede genoemd). Elke component (of cilindrische laag) van een glasvezelkabel heeft een specifiek doel bij de efficiënte voortplanting van gegevens als een optisch signaal. Het begrijpen van termen als breking, brekingsindex en totale interne reflectie helpt de functie en het gebruik van de materialen die in optische vezels worden gebruikt, te begrijpen.

Glasvezelkabelstructuur: het optische kernsignaal gaat door de kern. De kern bestaat uit hooggezuiverd siliciumdioxide (SiO2) en zeer kleine hoeveelheden "doteermiddelen" zoals germanium, die worden toegevoegd om de brekingsindex aan te passen voor een optimale lichttransmissie. Kernen met verschillende diameters kunnen voor verschillende doeleinden worden gebruikt. De relatief smalle single-mode vezeldiameter (doorgaans ongeveer 8-10 micron) beperkt bijvoorbeeld de transmissie tot een enkel, gefocusseerd pad, waardoor de signaalgetrouwheid over lange afstanden behouden blijft. Als alternatief vereisen multi-mode vezels die verschillende optische signalen over korte afstanden transporteren (bijvoorbeeld in gebouwen of op de campus) een diameter van 50+ micron.

Of het nu single-mode of multi-mode is, de hoge brekingsindex van de kern ten opzichte van de bekleding is een factor bij het bereiken van totale interne reflectie. Bekleding Bekleding omringt de kern. Dubbel- en drievoudig beklede glasvezels dienen voor gespecialiseerde toepassingen met hoog vermogen, zoals industriële lasersystemen, terwijl enkelvoudig beklede glasvezelkabels dagelijkse toepassingen zoals telecommunicatie- en datanetwerken bedienen. Het belangrijkste doel van de bekleding is om het licht tot de kern te beperken. Dit wordt bereikt door een lagere brekingsindex te bieden om totale interne reflectie te bereiken. De buitenste laag (of laag) heeft geen directe wisselwerking met licht dat door de kern gaat.

In plaats daarvan biedt de buitenlaag mechanische sterkte en fysieke bescherming tegen omgevingsfactoren die de brekingsindex van het materiaal in de vezel zouden kunnen verminderen. Deze omvatten weersafhankelijke wateropname en extreme temperaturen, evenals trekken, buigen en draaien tijdens installatie en verplaatsing. Op deze manier zorgt de robuuste kabelmantel voor een efficiënte en betrouwbare lichttransmissie. Om beter te begrijpen hoe licht in de vezel blijft, moeten we beginnen met het verbinden van de belangrijkste concepten van totale interne reflectie, kritische hoek en brekingsindex.

Wat is breking? Breking beschrijft de verandering in richting van licht wanneer het door een medium met verschillende dichtheden gaat. Overweeg bijvoorbeeld om met een zaklamp op een grote glazen kom gevuld met water te schijnen. Omdat licht boven de waterlijn wordt waargenomen door relatief minder dichte lucht in vergelijking met licht dat op het dichtere water eronder valt, lijkt de hoek van het lichtpad te veranderen op het punt van binnenkomst. Wanneer licht door een medium met verschillende dichtheden gaat, wordt de verandering in de richting van het licht breking genoemd (zie de wet van Snellius hieronder). Wat is brekingsindex? Als we verdergaan met het voorbeeld van het schijnen van een zaklamp in water, kunnen we vragen stellen als: "Breekt licht altijd onder dezelfde hoek?" Het antwoord is nee. Licht wordt gebroken onder een berekenbare hoek volgens de brekingsindex. Door bijvoorbeeld de brekingsindex van water en lucht te kennen, kunnen de optische parameters die de brekingshoek bepalen, worden ingevoerd in een vergelijking die de precieze hoek van de verwachte breking bij kamertemperatuur weergeeft (in sommige gevallen beïnvloeden extreme temperaturen de dichtheid van het medium) moet in aanmerking worden genomen).

Hoe verhoudt de brekingsindex zich tot de kern en de bekleding?

Licht dat van een dichter medium naar een minder dicht medium beweegt, zal afwijken van het "normale" (dat wil zeggen een denkbeeldige lijn loodrecht op het grensvlak tussen de twee media op het punt van binnenkomst). Als we teruggaan naar het voorbeeld van de zaklamp, kunnen we overwegen om de zaklamp in water te dompelen, zodat het licht nu van het dichtere water naar de minder dichte lucht moet reizen, wat nabootst wat er gebeurt als licht door de kern naar de bekleding gaat. Als u de straalhoek van de zaklamp voorbij de "kritieke hoek" stuurt, wordt het licht in het water gereflecteerd. Op dezelfde manier moet de hoek van het licht dat door de kern gaat de kritische hoek overschrijden, en moet de bekleding een lagere brekingsindex bieden dan de kern.

Kritische hoek en totale interne reflectie Licht ondervindt totale interne reflectie wanneer het zich voortplant van een dichter medium naar een minder dicht medium onder een hoek voorbij de kritische hoek. Dit is waar het licht wordt gereflecteerd in het dichtere primaire medium en niet in het minder dichte secundaire medium terechtkomt. Door de principes van breking, brekingsindex, kritische hoek en totale interne reflectie te begrijpen, kunnen ingenieurs kern- en bekledingsmaterialen selecteren voor optimale vezelprestaties.