Quel est le principe de la fibre optique ? Comment la lumière peut-elle être convertie en d’autres formes de signal ?

La fibre optique est utilisée comme support pour transmettre la lumière, et aux deux extrémités de la fibre optique, quel principe est utilisé pour convertir la lumière en signal requis ?

 

Principe de la fibre optique

1, matériau de transmission par fibre optique :

La fibre optique utilisée dans le système de câblage intégré est une LED multimode en verre d'une longueur d'onde de 850 nm, avec un taux de transmission de 100 M/bps et une portée effective d'environ 20 km. Le cœur et la gaine sont composés de deux milieux aux propriétés optiques différentes. Le milieu à l’intérieur a un indice de réfraction de la lumière plus élevé que le milieu qui l’entoure. On peut savoir par la physique qu'à l'interface des deux milieux, lorsque la lumière est projetée du côté à indice de réfraction élevé vers le côté à indice de réfraction élevé, tant que l'angle d'incidence est supérieur à une valeur critique, le phénomène de réflexion se produira et l'énergie ne sera pas perdue. À ce stade, le revêtement autour de la couche externe agit comme un matériau opaque, empêchant la lumière de s'échapper de la surface pendant le processus d'interpénétration. Seuls les rayons lumineux ayant un petit angle d'incidence initial sont réfractés et absorbés par le matériau extérieur sur une courte distance.

Les fibres optiques actuellement produites, qu'elles soient en verre ou en plastique, peuvent transmettre toute la lumière visible et une partie du spectre infrarouge. Les câbles à fibres optiques en fibre présentent diverses formes structurelles. Il existe deux principaux types de câbles à courte distance : le câble à structure à une couche se trouve au centre du fil d'acier ou du fil de nylon, le faisceau extérieur comporte un certain nombre de fibres optiques et l'extérieur est ajouté avec une couche de gaine en plastique ; L'autre est un câble à fibres optiques haute densité, qui comporte plusieurs couches de ruban superposées, chaque couche de ruban étant posée en rangées parallèles de fibres optiques.

Les câbles à fibres optiques en fibre présentent diverses formes structurelles. Il existe deux principaux types de câbles pour les courtes distances, à structure monocouche. Le câble optique se trouve au centre du fil d'acier ou du fil de nylon, le faisceau extérieur comporte un certain nombre de fibres optiques et l'extérieur est doté d'une couche de gaine en plastique ; L'autre est un câble à fibres optiques haute densité, qui comporte plusieurs couches de ruban superposées, chaque couche de ruban étant posée en rangées parallèles de fibres optiques.

2, processus de transmission par fibre optique :

Le signal lumineux émis par la diode électroluminescente LED ou la diode laser injectée ILD se propage le long du support optique, et la photodiode PIN ou APD reçoit le signal comme détecteur à l'autre extrémité. La modulation de la porteuse optique est une modulation par déplacement d'amplitude, également connue sous le nom de modulation d'intensité (IntensityModulation). Généralement, deux nombres binaires sont représentés par l’apparition et la disparition de la lumière à une fréquence donnée. Les signaux ILD des LED et des diodes laser injectées peuvent être modulés de cette manière, les détecteurs PIN et ILD répondant directement à la modulation de luminosité.

Amplification de puissance - L'amplificateur optique est placé avant l'émetteur optique pour augmenter la puissance optique de la fibre entrante. La puissance optique de l'ensemble du système de ligne est améliorée. Amplification de relais en ligne - Lorsque le groupe de bâtiments est grand ou que la distance entre les bâtiments est grande, il peut jouer un rôle d'amplification de relais pour améliorer la puissance optique. Pré-amplification : après le photodétecteur à l'extrémité de réception, le microsignal est amplifié pour améliorer la capacité de réception.

3, caractéristiques de transmission par fibre optique :

Les câbles optiques ne sont pas faciles à dériver car ils transmettent des signaux optiques et sont donc généralement utilisés pour les connexions point à point. Des systèmes multipoints expérimentaux avec des topologies de bus à fibre optique ont été construits, mais sont encore trop coûteux. En principe, comme la perte de puissance de la fibre est faible, la baisse est réduite, il existe un potentiel de bande passante important, de sorte que la fibre générale peut supporter beaucoup plus le nombre de prises que les paires torsadées ou les câbles coaxiaux. À l'heure actuelle, l'émetteur fiable et peu coûteux est une LED à diode électroluminescente d'une longueur d'onde de 0,85 um, qui peut prendre en charge un taux de transmission de 100 Mbps et un réseau local compris entre 1,5 et 2 km. L'émetteur à diode laser est coûteux et ne peut pas répondre à l'exigence d'une durée de vie d'un million d'heures.

Les broches de détection à LED fonctionnant à des longueurs d'onde de {{0}} 0,85 um sont également des récepteurs à faible coût. Le gain du signal de la photodiode à avalanche est supérieur à celui du PIN, mais elle nécessite une alimentation de 20 à 50 V, tandis que le détecteur PIN n'a besoin que d'une alimentation de 5 V. Pour des distances plus longues et des débits plus élevés, un système de longueur d'onde de 1,3 um peut être utilisé, qui présente peu d'atténuation mais est plus cher qu'un système de longueur d'onde de 0,85 um. De plus, le connecteur de fibre optique correspondant est également très important, car il nécessite que la perte de connexion de chaque connecteur soit inférieure à 25 dB, facile à installer et à bas prix. Plus le noyau et l’ouverture de la fibre sont grands, plus elle reçoit de lumière de la LED, meilleures sont ses performances. Une fibre avec un diamètre de cœur de 100 um et un diamètre de gaine de 140 um peut offrir d'assez bonnes performances. Elle reçoit 4 dB d'énergie lumineuse de plus que la fibre 62,5/125 um et 8,5 dB de plus que la fibre 50/125 um. La fibre fonctionnant à 0,8 um a une atténuation de 6 dB/Km, et la fibre fonctionnant à 1,3 um a une atténuation de 4 dB/Km. La fibre optique de 0,8 um a une bande passante de 150 MHz/Km et la fibre optique de 1,3 um a une bande passante de 500 MHz/Km.

Dans le système de câblage intégré, il est très approprié et nécessaire d'utiliser la fibre optique comme support de transmission pour le réseau principal.
À l'heure actuelle, une sorte de technologie de multiplexage optique WDM (Wavelength Division MULTI-PLEXING) peut être multiplexée, envoyée et transmise sur une ligne, généralement selon une transmission parallèle de huit bits en octets, en utilisant différentes longueurs d'onde pour chaque flux binaire, il doit donc prendre en charge le circuit qui peut fonctionner à un faible débit. La liaison par fibre optique du WDM est un nouveau système de transmission de données adapté à l'interface d'un périphérique à largeur d'octet.

(l) Communication laser

Utiliser la lumière pour transmettre des informations est très courant aujourd’hui. Par exemple, les navires utilisent des feux pour communiquer et les feux de circulation utilisent le rouge, le jaune et le vert. Mais tous ces moyens de transmettre des informations à l’aide de la lumière ordinaire ne peuvent être limités qu’à de courtes distances. Si vous souhaitez transmettre des informations directement vers des endroits éloignés grâce à la lumière, vous ne pouvez pas utiliser de lumière ordinaire, mais uniquement des lasers.

Alors, comment livrez-vous le laser ? Nous savons que l’électricité peut être transportée par des fils de cuivre, mais la lumière ne peut pas être transportée par des fils métalliques ordinaires. À cette fin, les scientifiques ont développé un filament capable de transmettre la lumière, appelé fibre optique, appelée fibre. La fibre optique est constituée de matériaux de verre spéciaux, son diamètre est plus fin qu'un cheveu humain, généralement de 50 à 150 microns, et très doux.

En fait, le noyau interne de la fibre est un verre optique transparent à indice de réfraction élevé et le revêtement extérieur est constitué de verre ou de plastique à faible indice de réfraction. Une telle structure, d'une part, peut faire en sorte que la lumière soit réfractée le long du noyau interne, tout comme l'eau s'écoulant vers l'avant dans la conduite d'eau, l'électricité transmise vers l'avant dans le fil, même si des milliers de rebondissements n'ont aucun effet. D'autre part, le revêtement à faible indice de réfraction peut empêcher la lumière de s'échapper, tout comme la conduite d'eau ne s'infiltre pas et la couche isolante du fil ne conduit pas l'électricité.

L'apparition de la fibre optique résout le mode de transmission de la lumière, mais cela ne signifie pas qu'avec elle, n'importe quelle lumière peut être transmise très loin. Seule une luminosité élevée, des couleurs pures, un bon laser directionnel, sont la source de lumière la plus idéale pour transmettre des informations, elle est entrée par une extrémité de la fibre, presque aucune perte et sortie de l'autre extrémité. Par conséquent, la communication optique est essentiellement une communication laser, qui présente les avantages d'une grande capacité, d'une haute qualité, d'une large source de matériaux, d'une forte confidentialité, d'une durabilité, etc., et est saluée par les scientifiques comme une révolution dans le domaine de la communication, et en est une. l'une des réalisations les plus brillantes de la révolution technologique.

Où la communication laser est-elle avancée ? Le premier avantage de la communication laser est sa grande capacité. Quelle est sa capacité ? Lorsque nous parlons habituellement au téléphone, nous parlons avec des voix sans rapport qui se mélangent parfois. Ce phénomène de bagarre est dû au fait qu'un seul appel peut être passé sur une ligne téléphonique, et si un autre téléphone entre, les deux côtés normaux du téléphone sera perturbé. S’il y a 10 personnes qui parlent en même temps sur une ligne téléphonique, cela équivaut à 20 personnes qui parlent en même temps, alors il n’y a aucune communication. Afin de résoudre ce problème, il est nécessaire d'utiliser des méthodes porteuses et autres pour fabriquer chaque téléphone dans chaque bande de fréquences. Étant donné que la gamme de fréquences des téléphones ordinaires est de 300 à 400 Hertz et que la fréquence la plus élevée sur une paire de lignes téléphoniques n'est que de 1 500 KHZ, seule une douzaine de téléphones peuvent être transmis simultanément sur une paire de lignes téléphoniques. De toute évidence, une telle capacité de télécommunications est loin de répondre aux exigences de la société de l'information d'aujourd'hui.

Si nous comparons les informations de transmission d'un téléphone ordinaire à un chariot, alors la communication laser est une voiture. La fréquence des lasers étant bien supérieure à celle des ondes radio, la capacité d’information de la communication laser est 1 milliard de fois supérieure à celle de la communication électrique. Une fibre optique plus fine qu’un cheveu humain peut transmettre des dizaines de milliers d’appels téléphoniques ou des milliers de programmes télévisés. Les 20 câbles à fibres optiques ont l'épaisseur d'un crayon et peuvent traiter 76 200 appels par jour. À titre de comparaison, un câble composé de 1 800 fils de cuivre, d’environ 7,6 centimètres de diamètre, ne peut passer que 900 appels par jour.

Ce qui est particulièrement surprenant, c'est que la communication par fibre optique est particulièrement adaptée à la transmission de la télévision, des images et du numérique. On rapporte qu’une paire de fibres optiques peut transmettre l’intégralité de l’Encyclopaedia Britannica en une minute.

De plus, le matériau utilisé pour fabriquer les fibres optiques est le quartz, que l’on retrouve partout sur Terre, et seuls quelques grammes de quartz permettent de fabriquer des fibres optiques d’un kilomètre de long. De cette façon, non seulement les matières premières sont inépuisables, mais le cuivre et l’aluminium peuvent également être considérablement économisés. Pour cette raison, les pays développés du monde sont en compétition pour étudier la communication laser. La communication laser est donc devenue la coqueluche du développement.

Dans l’histoire des technologies de communication, le développement de la technologie de communication par fibre optique est sans précédent. Plusieurs jalons dans l'histoire des technologies de communication ont été nécessaires : il a fallu environ 60 ans pour que le téléphone soit inventé et appliqué, et la communication téléphonique est encore largement utilisée aujourd'hui. Les technologies radio, comme le télégraphe, ont également mis environ 30 ans entre leur invention et leur application. Bien que la technologie de la télévision se soit développée rapidement, elle est encore en gestation depuis environ 14 ans. Communication laser, depuis la naissance de la première fibre optique à faibles pertes jusqu'à son application, soit un total de seulement 5 ans. Aujourd'hui, la communication laser est non seulement largement utilisée, mais elle constitue également un énorme marché de la fibre optique.

En mai 1977, une grande entreprise aux États-Unis appelée Telegraph and Telephone Company a posé la première ligne de communication à fibre optique à courte distance au monde entre les deux bureaux de téléphone de Chicago, puis a établi une ligne de communication laser à courte distance. avec une longueur totale de centaines de kilomètres dans près de 100 endroits à travers les États-Unis. Cela signifie que sur de courtes distances, la communication laser a commencé à remplacer la communication électrique ordinaire. En 1983, 600 kilomètres de communications par fibre optique entre New York et Boston avaient été mis en service.

Les États-Unis sont suivis de près par le Japon. En 1984, le Japon a achevé la ligne principale de communication longue distance par fibre optique reliant Sapporo à Hokkaido à Fukuoka à Kyushu, sur une longueur totale de 2 800 kilomètres, reliant plus de 30 villes. En décembre 1993, un câble à fibres optiques traversant la mer de Chine orientale entre la Chine et le Japon a été posé avec succès. Un câble sous-marin de 10 000- kilomètres de long traversant le Pacifique entre le Japon et les États-Unis est également en cours de conception.

En raison du développement vigoureux de la communication par fibre optique, les États-Unis, le Japon, la Grande-Bretagne, la France et d'autres pays industrialisés ont créé des entreprises de production de fibres optiques et de câbles optiques. Les trois sociétés de fibres optiques et de câbles les plus célèbres au monde - la Western Electric Company des États-Unis, la Corning Company et la société japonaise Sumitomo Corporation - produisent plus de 120,000 kilomètres de fibres optiques par an.

En bref, les pays industrialisés ont mis en place un réseau national de communication par fibre optique afin de remplacer complètement les fils et câbles de cuivre actuels. Ce vaste projet technique devrait être achevé d'ici l'an 2000. À cette époque, la communication laser apportera de grands changements sur notre planète. Par exemple, vous pouvez utiliser les réseaux de fibre optique pour travailler sur des documents ou assister à une réunion à la maison sans sortir de chez vous ; Ou connectez le réseau de fibre optique domestique au centre commercial, tout comme si vous étiez dans un supermarché, assis à la maison pour acheter les produits dont vous avez besoin, et le paiement n'a qu'à être réglé avec le système d'achat financier électronique. Les centres médicaux du monde entier peuvent également visualiser l'état du patient et le rapport de laboratoire à partir de l'écran, et délivrer une ordonnance en fonction de ceux-ci, afin de véritablement réaliser « l'érudit ne sort pas, ne connaît pas le monde », « élabore une stratégie sous la tente, victoire décisive à des milliers de kilomètres".

Les lasers et les fibres optiques peuvent également transmettre des images. Tout d’abord, une seule fibre optique, d’un diamètre inférieur à celui d’un cheveu humain, est combinée en un faisceau de fibres. Dans le processus de transmission d’informations, deux types de faisceaux de fibres sont couramment utilisés : l’un est appelé faisceau de lumière et l’autre est appelé faisceau d’image. La tâche de la transmission du faisceau est de transporter la lumière d’une extrémité à l’autre. La structure de transmission du faisceau est relativement simple, elle est composée d'un certain nombre de monofilaments liés ensemble, puis la surface d'extrémité est polie et meulée afin de réduire la perte de réflexion et de diffusion de la lumière dans la fibre, puis la gaine en plastique est mise en place. à l'extérieur de la transmission du faisceau.

Puisqu'une fibre optique ne peut transmettre qu'un seul point, pour transmettre l'image entière, les fibres de guidage optique doivent être soigneusement disposées une par une, de sorte que le faisceau de fibres optiques soit appelé faisceau d'image.

Dans le faisceau de transmission d'image, toutes les fibres optiques sont soigneusement disposées et les positions des deux extrémités correspondent strictement une par une, ce qui n'est pas du tout chaotique, tout comme des baguettes soignées. Par exemple, si une extrémité d'une fibre optique se trouve dans la huitième rangée et la huitième colonne du faisceau de transmission d'image, alors son autre extrémité est également dans la huitième ou la huitième position.

Lors de la transmission d'images, le faisceau d'image divise d'abord l'image en une forme de maillage, c'est-à-dire qu'une image est décomposée en d'innombrables pixels par d'innombrables fibres optiques, puis transmise. Une fibre optique est chargée de transmettre un pixel, et d'innombrables fibres optiques peuvent transmettre l'intégralité de l'image à l'autre extrémité. Si vous souhaitez rendre la transmission d'image claire, il est nécessaire de choisir un diamètre de fibre plus fin, car plus la fibre est fine, plus la lumière peut être reçue sur un certain faisceau de transmission d'image, de sorte que plus de pixels puissent être transmis. Évidemment, plus il y a de pixels, plus l’image est claire.

Le faisceau d’image utilisé aujourd’hui est constitué de dizaines de milliers de fibres optiques, et il n’est pas facile de disposer soigneusement autant de fibres optiques. Après l'arrangement, un adhésif organique appelé résine époxy est utilisé pour coller les deux extrémités ensemble, de sorte que la fibre optique soit liée et fixée, garantissant que les fibres optiques aux deux extrémités correspondent une par une. Les deux extrémités doivent également être lissées et polies. Quant à la partie médiane, elle n'a pas besoin d'être collée fermement, mais est lâche comme la ficelle de l'erhu, et il suffit d'ajouter un manchon de protection en plastique à l'extérieur, de sorte que le faisceau de transmission d'image soit souple et puisse être plié arbitrairement.

En plus de la transmission d'images, le faisceau d'images peut également transmettre des symboles ou des chiffres généraux, ainsi qu'agrandir ou réduire l'image.

Pour agrandir l'image, le faisceau peut être agrandi à une extrémité et plus petit à l'autre, comme un cône. Lorsque l'élément d'image passe de la petite extrémité à la grande extrémité, l'image entière est agrandie. En revanche, si l’image est envoyée du gros bout vers le petit bout, l’image entière est réduite.

De plus, la fibre optique peut être utilisée pour modifier l’image. Si la disposition de la fibre optique est intentionnellement perturbée en fonction des besoins, le pixel à l'extrémité de sortie ne peut pas tomber sur le point correspondant d'origine, mais tomber sur le point de conception subjective, de sorte que l'image est modifiée. Si la fibre optique à l'extrémité d'entrée de l'élément d'image est rendue carrée et que la fibre optique à l'extrémité de sortie est rendue circulaire, l'élément d'image carré peut être transformé en un élément d'image circulaire.

En bref, le faisceau d'images à fibre optique présente un grand potentiel de développement et montrera de plus en plus son rôle unique dans la future technologie de traitement optique de l'information.