Uitleg over glasvezel: hoe golflengtes lichttransmissie mogelijk maken

Stel je voor dat glasvezelkabels informatie kunnen transporteren via verschillende kleuren, zoals een regenboog, waarbij elke tint een afzonderlijk datakanaal vertegenwoordigt. In glasvezelcommunicatie dienen golflengtes als deze "kleuren", die de kenmerken en de transmissie-efficiëntie van lichtsignalen bepalen. Hoewel "golflengte" voor velen een esoterische term kan lijken, is het in werkelijkheid de sleutel tot het begrijpen van glasvezeltechnologie. Dit artikel ontrafelt het concept van glasvezelgolflengtes, hun onderliggende principes en hun cruciale rol in praktische toepassingen.

Licht reikt veel verder dan wat onze ogen waarnemen als zichtbaar licht. Het maakt deel uit van een breder elektromagnetisch spectrum dat verschillende soorten straling omvat - van hoogenergetische röntgenstralen en ultraviolette golven tot bekende radiogolven en microgolven, en uiteindelijk tot het infrarode licht dat wordt gebruikt in glasvezelcommunicatie. Dit zijn allemaal fundamenteel elektromagnetische stralingen, die voornamelijk worden onderscheiden door hun golflengtes. Het elektromagnetische spectrum kan worden gevisualiseerd als een uitgestrekt kleurenpalet, waarbij verschillende golflengtes overeenkomen met verschillende "kleuren". Glasvezelcommunicatie selecteert strategisch specifieke "kleuren" uit dit palet voor informatieoverdracht.

Elektromagnetische straling wordt doorgaans beschreven met behulp van golflengte of frequentie. Golflengte verwijst naar de afstand tussen opeenvolgende pieken of dalen van een golf terwijl deze zich door de ruimte voortplant, meestal gemeten in nanometers (nm, een miljardste van een meter) of micrometer (µm, een miljoenste van een meter). Frequentie geeft aan hoe vaak de golf per seconde oscilleert, gemeten in Hertz (Hz). Golflengte en frequentie hebben een inverse relatie: kortere golflengtes komen overeen met hogere frequenties, terwijl langere golflengtes lagere frequenties aangeven. Voor kortere golflengtes zoals die van licht, ultraviolet en röntgenstralen, is golflengte de voorkeursbeschrijver. Voor langere golflengtes zoals radiogolven, televisiesignalen en microgolven, wordt frequentie vaker gebruikt.

De meest bekende vorm van licht is natuurlijk zichtbaar licht. Het menselijk oog kan golflengtes detecteren die variëren van ongeveer 400 nm (blauw/violet licht) tot 700 nm (rood licht). Dit bereik komt overeen met de sterkste stralingsbanden van de zon, wat suggereert dat ons visuele systeem evolueerde om de meest intense golflengtes van zonlicht waar te nemen - een elegant voorbeeld van biologische aanpassing.

Glasvezelcommunicatie vertrouwt niet op zichtbaar licht, maar op infrarood licht, dat langere golflengtes heeft - typisch rond 850 nm, 1300 nm en 1550 nm. De keuze voor infrarood licht komt voort uit de lagere demping in optische vezels. Demping in vezels ontstaat door twee primaire factoren: absorptie en verstrooiing.

• Absorptie: Sporen van water in glasvezelkabels absorberen licht bij specifieke golflengtes, waardoor "waterabsorptiepieken" ontstaan. Glasvezelsystemen moeten deze pieken vermijden om de signaalintegriteit te behouden.
• Verstrooiing: Terwijl licht door de vezel reist, botst het met atomen of moleculen in het glas, waardoor verstrooiing ontstaat. De verstrooiingsintensiteit is omgekeerd evenredig met de vierde macht van de golflengte, wat betekent dat langere golflengtes minder verstrooien. Dit principe verklaart ook waarom de lucht blauw lijkt: kortere blauwe golflengtes verstrooien gemakkelijker in de atmosfeer.

Om signaalverlies te minimaliseren, werken glasvezelsystemen in het infrarode spectrum, waarbij waterabsorptiepieken worden vermeden en wordt gekozen voor de drie standaard golflengtes: 850 nm, 1300 nm en 1550 nm. Gelukkig kunnen laserdiodes (of LED's) en fotodetectoren zo worden ontworpen dat ze efficiënt functioneren bij deze specifieke golflengtes.

Als langere golflengtes minder demping ervaren, waarom zouden we ze dan niet gebruiken? Het antwoord ligt in de nabijheid van infrarode golflengtes tot thermische straling. Net zoals we de doffe rode gloed van een elektrische kookplaat kunnen zien en de hitte ervan kunnen voelen, worden langere golflengtes gevoelig voor omgevingswarmte, wat de signaaloverdracht kan verstoren. Bovendien bestaan er andere waterabsorptiepieken in het infrarode bereik.

In tegenstelling tot glasvezels vertonen plastic optische vezels (POF) een lagere absorptie bij kortere golflengtes. Bijgevolg gebruikt POF doorgaans 650 nm rood licht, hoewel 850 nm haalbaar blijft voor toepassingen met een korte afstand met glasvezelzenders.

In glasvezelnetwerken zijn golflengtes niet alleen cruciaal voor transmissie, maar ook voor testen. De kabeldemping moet worden gemeten bij dezelfde golflengte die wordt gebruikt voor signaaloverdracht. Evenzo vereisen optische vermogensmeters kalibratie bij deze specifieke golflengtes om de netwerkprestaties nauwkeurig te beoordelen.

Het National Institute of Standards and Technology (NIST) biedt kalibratiediensten voor optische vermogensmeters bij de drie primaire glasvezelgolflengtes: 850 nm, 1300 nm en 1550 nm. Multimode vezels zijn typisch ontworpen voor 850 nm en 1300 nm, terwijl single-mode vezels zijn geoptimaliseerd voor 1310 nm en 1550 nm. De kleine discrepantie tussen 1300 nm en 1310 nm komt voort uit historische terminologieconventies die zijn vastgesteld door AT&T, waarbij single-mode vezels 1310 nm lasers gebruikten en multimode vezels 1300 nm LED's gebruikten.

Moderne telecommunicatiesystemen gebruiken op grote schaal Wavelength Division Multiplexing (WDM)-technieken, waaronder Dense WDM (DWDM) en Coarse WDM (CWDM). WDM maakt het mogelijk dat een enkele vezel meerdere "kleuren" licht tegelijkertijd kan dragen, waarbij elke kleur een onafhankelijk datakanaal vertegenwoordigt. In WDM-systemen worden lasers nauwkeurig afgestemd op verschillende golflengtes, die dicht genoeg bij elkaar liggen om de capaciteit te maximaliseren, maar voldoende uit elkaar om interferentie te voorkomen. Dit komt overeen met FM-radio-uitzendingen, waarbij stations op verschillende frequenties werken. WDM gebruikt het volledige golflengtebereik van 1260 nm tot 1670 nm, verdeeld in specifieke banden.

Een cruciaal maar vaak over het hoofd gezien aspect van glasvezel is veiligheid. Omdat de meeste glasvezelsystemen buiten het zichtbare spectrum werken, is het uitgezonden licht doorgaans onzichtbaar voor het blote oog. Kijk nooit rechtstreeks in het uiteinde van een vezel om te controleren op signalen - bepaalde systemen met hoog vermogen, zoals CATV en DWDM, kunnen gevaarlijke straling uitzenden. Controleer altijd de optische vermogensniveaus met een gekalibreerde meter voordat u vezelverbindingen hanteert.

Het begrijpen van glasvezelgolflengtes is essentieel voor het beheersen van optische communicatietechnologie. Door de "kleurcode" van glasvezel te ontrafelen, kunnen professionals het netwerkontwerp optimaliseren, effectief problemen oplossen en de grenzen van de mogelijkheden voor gegevensoverdracht verleggen.