Optische datacommunicatie

Een modern alternatief voor het verzenden van (binaire) digitale informatie via elektrische spanningssignalen is het gebruik van optische (licht)signalen. Elektrische signalen van digitale circuits (hoge/lage spanningen) kunnen worden omgezet in discrete optische signalen (licht of geen licht) met LED's of solid-state lasers. Evenzo kunnen lichtsignalen worden terugvertaald in elektrische vorm door het gebruik van fotodiodes of fototransistoren voor introductie in de ingangen van poortcircuits.

Het verzenden van digitale informatie in optische vorm kan in de open lucht worden gedaan door eenvoudig een laser op een fotodetector op een verre afstand te richten, maar interferentie met de straal in de vorm van temperatuurinversielagen, stof, regen, mist en andere obstakels kan optreden significante technische problemen:

Een manier om de problemen van optische datatransmissie in de open lucht te vermijden, is door de lichtpulsen door een ultrazuivere glasvezel te sturen. Glasvezels zal een lichtstraal "geleiden" zoals een koperdraad elektronen zal geleiden, met het voordeel dat alle bijbehorende problemen van inductantie, capaciteit en externe interferentie die elektrische signalen teisteren volledig worden vermeden. Optische vezels houden de lichtbundel binnen de vezelkern door een fenomeen dat bekend staat als totale interne reflectie .

Een optische vezel is samengesteld uit twee lagen ultrapuur glas, waarbij elke laag is gemaakt van glas met een iets andere brekingsindex , of het vermogen om “buigen” licht. Met één type glas dat concentrisch gelaagd is rond een centrale glaskern, kan licht dat in de centrale kern wordt ingebracht niet ontsnappen buiten de vezel, maar is beperkt om binnen de kern te reizen:

Deze glaslagen zijn erg dun, de buitenste "bekleding" typisch 125 micron (1 micron =1 miljoenste van een meter, of 10 ^-6 meter) doorsnee. Deze dunheid geeft de vezel een aanzienlijke flexibiliteit. Om de vezel te beschermen tegen fysieke schade, wordt deze meestal voorzien van een dunne plastic coating, in een plastic buis geplaatst, omwikkeld met kevlar-vezels voor treksterkte, en voorzien van een buitenmantel van plastic vergelijkbaar met elektrische draadisolatie. Net als elektrische draden worden optische vezels vaak samengebundeld in dezelfde mantel om een ​​enkele kabel te vormen.

Optische vezels overtreffen in bijna elk opzicht de gegevensverwerkingsprestaties van koperdraad. Ze zijn volledig immuun voor elektromagnetische interferentie en hebben zeer hoge bandbreedtes. Ze zijn echter niet zonder bepaalde zwakheden.

Effecten van microbuiging in glasvezel

Een zwak punt van optische vezels is een fenomeen dat bekend staat als microbending . Dit is waar de vezel rond een te kleine straal wordt gebogen, waardoor licht door de bekleding naar de binnenkern ontsnapt:

Microbending leidt niet alleen tot verminderde signaalsterkte vanwege het verloren licht, maar het vormt ook een beveiligingszwakte omdat een lichtsensor die opzettelijk aan de buitenkant van een scherpe bocht is geplaatst, digitale gegevens die via de vezel worden verzonden, kan onderscheppen.

Modiën in glasvezel

Een ander probleem dat uniek is voor glasvezel is signaalvervorming als gevolg van meerdere lichtpaden, of modi , met verschillende afstanden over de lengte van de vezel. Wanneer licht wordt uitgestraald door een bron, gaan de fotonen (lichtdeeltjes) niet allemaal exact hetzelfde pad af. Dit feit is overduidelijk in elke lichtbron die niet overeenkomt met een rechte straal, maar is zelfs waar in apparaten zoals lasers.

Enkele modus

Als de vezelkern klein genoeg wordt gemaakt (ongeveer 5 micron in diameter), zijn de lichtmodi beperkt tot een enkel pad met één lengte. Vezel die zo is ontworpen dat slechts één lichtmodus mogelijk is, staat bekend als single-mode-vezel. Omdat single-mode glasvezel ontsnapt aan het probleem van pulsverlenging bij lange kabels, is het de voorkeursvezel voor langeafstandsnetwerken (meerdere kilometers of meer). Het nadeel is natuurlijk dat met slechts één lichtmodus single-mode vezels niet zoveel geleiden als multimode-vezels. Over lange afstanden verergert dit de behoefte aan "repeater" -eenheden om het lichtvermogen te vergroten.

Multimode glasvezel

Als de kern van de optische vezel groot genoeg is in diameter, ondersteunt deze meerdere paden voor fotonen om te reizen, elk van deze paden heeft een iets andere lengte van het ene uiteinde van de vezel naar het andere.

Pulsrekking

Een lichtpuls die wordt uitgezonden door de LED die een kortere weg door de vezel neemt, zal eerder bij de detector aankomen dan lichtpulsen die een langere weg afleggen. Het resultaat is vervorming van de stijgende en dalende flanken van de blokgolf, genaamd pulsrekking . Dit probleem wordt erger naarmate de totale vezellengte toeneemt: