Оптическое волокно

Пучок оптических волокон

Опти́ческое волокно́ в нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Волоконная оптика в раздел прикладной науки и машиностроения, описывающий такие волокна. Кабели на базе оптических волокон используются в волоконно-оптической связи, позволяющей передавать информацию на бо́льшие расстояния с более высокой скоростью передачи данных, чем в электронных средствах связи. В ряде случаев они также используются при создании датчиков.

[править] История

Принцип передачи света, используемый в волоконной оптике, был впервые продемонстрирован в XIX веке, но развитие современной волоконной технологии началось в 1950-х годах. Изобретение лазеров сделало возможным построение волоконно-оптических линий передач, превосходящих по своим характеристикам традиционные проводные средства связи.

[править] Материалы

Стеклянные оптические волокна делаются из кварцевого стекла, но для дальнего инфракрасного диапазона могут использоваться другие материалы, такие как фтороцирконат, фторалюминат и халькогенидные стекла. Как и другие стекла, эти имеют показатель преломления около 1,5.

В настоящее время развивается применение пластиковых оптических волокон. Сердечник в таком волокне изготовляют из полиметилметакрилата (PMMA), а оболочку из фторированных PMMA (фторполимеров).

[править] Конструкция

Оптическое волокно, как правило, имеет круглое сечение и состоит из двух частей в сердцевины и оболочки. Для обеспечения полного внутреннего отражения абсолютный показатель преломления сердцевины несколько выше показателя преломления оболочки. Например, если показатель преломления оболочки равен 1,474, то показатель преломления сердцевины в 1,479. Луч света, направленный в сердцевину, будет распространяться по ней. Возможны и более сложные конструкции: в качестве сердцевины и оболочки могут применяться двумерные фотонные кристаллы, вместо ступенчатого изменения показателя преломления часто используются волокна с градиентным профилем показателя преломления, форма сердцевины может отличаться от цилиндрической. Такие конструкции обеспечивают волокнам специальные свойства: удержание поляризации распространяющегося света, снижение потерь, изменение дисперсии волокна и др.

Оптические волокна, используемые в телекоммуникациях, как правило, имеют диаметр 125±1 микрон. Диаметр сердцевины может отличаться в зависимости от типа волокна и национальных стандартов.

[править] Классификация

Профиль показателя преломления различных типов оптических волокон: слева вверху в одномодовое волокно, слева внизу в многомодовое ступенчатое волокно, справа в градиентное волокно с параболическим профилем.

Оптические волокна могут быть одномодовыми и многомодовыми. Диаметр сердцевины одномодовых волокон составляет от 7 до 10 микрон. Благодаря малому диаметру достигается передача по волокну лишь одной моды электромагнитного излучения, за счёт чего исключается влияние дисперсионных искажений. В настоящее время практически все производимые волокна являются одномодовыми.^[1]

Существует три основных типа одномодовых волокон:

Одномодовое ступенчатое волокно с несмещённой дисперсией (стандартное) (англ. SMF в Step Index Single Mode Fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.652 и применяется в большинстве оптических систем связи.
Одномодовое волокно со смещённой дисперсией (англ. DSF в Dispersion Shifted Single Mode Fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.653. В волокнах DSF с помощью примесей область нулевой дисперсии смещена в третье окно прозрачности, в котором наблюдается минимальное затухание.
Одномодовое волокно с ненулевой смещённой дисперсией (англ. NZDSF в Non-Zero Dispersion Shifted Single Mode Fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.655.

Многомодовые волокна отличаются от одномодовых диаметром сердцевины, который составляет 50 микрон в европейском стандарте и 62,5 микрон в североамериканском и японском стандартах. Из-за большого паллетного диаметра сердцевины по многомодовому волокну распространяется несколько мод излучения в каждая под своим углом, из-за чего импульс света испытывает дисперсионные искажения и из прямоугольного превращается в колоколоподобный.

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные. В ступенчатых волокнах показатель преломления от оболочки к сердцевине изменяется скачкообразно. В градиентных волокнах это изменение происходит иначе в показатель преломления сердцевины плавно возрастает от края к центру. Это приводит к явлению рефракции в сердцевине, благодаря чему снижается влияние дисперсии на искажение оптического импульса. Профиль показателя преломления градиентного волокна может быть параболическим, треугольным, ломаным и т. д.

Полимерные (пластиковые) волокна производят диаметром 50, 62.5, 120 и 980 микрон и оболочкой диаметром 490 и 1000 мкм.

[править] Применение

[править] Волоконно-оптическая связь

Основная статья: Волоконно-оптическая связь

Волоконно-оптический кабель.

Основное применение оптические волокна находят в качестве среды передачи на волоконно-оптических телекоммуникационных сетях различных уровней: от межконтинентальных магистралей до домашних компьютерных сетей. Применение оптических волокон для линий связи обусловлено тем, что оптическое волокно обеспечивает высокую защищенность от несанкционированного доступа, низкое затухание сигнала при передаче информации на большие расстояния и возможность оперировать с чрезвычайно высокими скоростями передачи. Уже к 2006-му году была достигнута скорость модуляции 111 ГГц^[2] ^[3]^[4], в то время как скорости 10 и 40 Гбит/с стали уже стандартными скоростями передачи по одному каналу оптического волокна. При этом каждое волокно, используя технологию спектрального уплотнения каналов может передавать до нескольких сотен каналов одновременно, обеспечивая общую скорость передачи информации, исчисляемую терабитами в секунду.

[править] Волоконно-оптический датчик

Оптическое волокно может быть использовано как датчик для измерения напряжения, температуры, давления и других параметров. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии, даёт волоконно-оптическим датчикам преимущество перед традиционными электрическими в определённых областях.

Оптическое волокно используется в гидрофонах в сейсмических или гидролокационных приборах. Созданы системы с гидрофонами, в которых на волоконный кабель приходится более 100 датчиков. Системы с гидрофоновым датчиком используются в нефтедобывающей промышленности, а также флотом некоторых стран. Немецкая компания Sennheiser разработала лазерный микроскоп, работающий с лазером и оптическим волокном^[5].

Волоконно-оптические датчики, измеряющие температуры и давления, разработаны для измерений в нефтяных скважинах. Они хорошо подходят для такой среды, работая при температурах, слишком высоких для полупроводниковых датчиков.

Разработаны устройства дуговой защиты с волоконно-оптическими датчиками, основными преимуществами которых перед традиционными устройствами дуговой защиты являются: высокое быстродействие, нечувствительность к электромагнитным помехам, гибкость и лёгкость монтажа, диэлектрические свойства.

Оптическое волокно применяется в лазерном гироскопе, используемом в Boeing 767 и в некоторых моделях машин (для навигации). Специальные оптические волокна используются в интерферометрических датчиках магнитного поля и электрического тока. Это волокна, полученные при вращении заготовки с сильным встроенным двойным лучепреломлением.

[править] Другие применения оптического волокна

Диск фрисби, освещённый оптическим волокном

Оптические волокна широко используются для освещения. Они используются как световоды в медицинских и других целях, где яркий свет необходимо доставить в труднодоступную зону. В некоторых зданиях оптические волокна направляют солнечный свет с крыши в какую-нибудь часть здания. Волоконно-оптическое освещение также используется в декоративных целях, включая коммерческую рекламу, искусство и искусственные рождественские ёлки.

Оптическое волокно также используется для формирования изображения. Пучок света, передаваемый оптическим волокном, иногда используется совместно с линзами в например, в эндоскопе, который используется для просмотра объектов через маленькое отверстие.

Один из способов механической шифровки изображения заключается в следующем: большое количество оптических волокон, оба конца которых расположены упорядоченно, тщательно переплетают в середине, а затем разрезают пополам. Одна половина получившейся конструкции используется для шифровки изображения, а другая в для дешифровки: изображение, пройдя через переплетённые световоды, превращается в бессмысленный набор точек разного цвета, но после прохода через вторую половину этот набор точек восстанавливается до оригинала. Преимущество этого метода заключается в простоте изготовления шифрующего механизма и в невозможности расшифровать передаваемое изображение без шифратора или дешифратора (шифратор и дешифратор в такой системе абсолютно взаимозаменяемы). Недостаток заключается в значительной потере качества изображения, зависящей от толщины используемых световодов, и в необходимости очень точно позиционировать зашифрованное изображение перед дешифратором в малейший перекос будет препятствовать расшифровке.

Оптическое волокно используется при конструировании волоконного лазера.

[править] Примечания

в‘ КАБЕЛЬвnews, в„–8 Рынок оптического кабеля (август 2008). Архивировано из первоисточника 21 августа 2011. Проверено 4 октября 2010.
в‘ 14 Tbps over a Single Optical Fiber: Successful Demonstration of Worldв™s Largest Capacity в 145 digital high-definition movies transmitted in one second. NTT Press Release. September 29, 2006.
в‘ and by NSN.
в‘ M. S. Alfiad, et al.. 111 Gb/s POLMUX-RZ-DQPSK Transmission over 1140 km of SSMF with 10.7 Gb/s NRZ-OOK Neighbours, стр. Mo.4.E.2.
в‘ TP: Der Glasfaser-Schallwandler. Архивировано из первоисточника 21 августа 2011. Проверено 4 декабря 2005.

[править] См. также

[править] Литература

Листвин А. В., Листвин В. Н., Швырков Д. В. Оптические волокна для линий связи. в М.: ЛЕСАРарт, 2003. в 288 с. в 10 000 экз. в ISBN 5-902367-01-8
Gambling, W. A., «The Rise and Rise of Optical Fibers», IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 6, No. 6, pp. 1084-1093, Nov./Dec. 2000
Gowar, John, Optical Communication Systems, 2 ed., Prentice-Hall, Hempstead UK, 1993 (ISBN 0-13-638727-6)
Hecht, Jeff. City of Light, The Story of Fiber Optics. в New York: Oxford University Press, 1999. в ISBN 0-19-510818-3
Hecht, Jeff, Understanding Fiber Optics, 4th ed., Prentice-Hall, Upper Saddle River, NJ, USA 2002 (ISBN 0-13-027828-9)
Nagel S. R., MacChesney J. B., Walker K. L., «An Overview of the Modified Chemical Vapor Deposition (MCVD) Process and Performance», IEEE Journal of Quantum Mechanics, Vol. QE-18, No. 4, April 1982
Ramaswami, R., Sivarajan, K. N. Optical Networks: A Practical Perspective. в San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers, 1998. в ISBN 1-55860-445-6

[править] Ссылки

Изготовление оптических волокон(видео). Архивировано из первоисточника 18 мая 2012.
Сварка оптического волокна / видеоинструкция, 3:12 мин.. Архивировано из первоисточника 18 мая 2012.
Измерения на волоконно-оптических линиях связи / Цикл статей. Архивировано из первоисточника 18 мая 2012.

[0] в‘ КАБЕЛЬвnews, в„–8 Рынок оптического кабеля (август 2008). Архивировано из первоисточника 21 августа 2011. Проверено 4 октября 2010.

[1] в‘ 14 Tbps over a Single Optical Fiber: Successful Demonstration of Worldв™s Largest Capacity в 145 digital high-definition movies transmitted in one second. NTT Press Release. September 29, 2006.

[2] в‘ and by NSN.

[3] в‘ M. S. Alfiad, et al.. 111 Gb/s POLMUX-RZ-DQPSK Transmission over 1140 km of SSMF with 10.7 Gb/s NRZ-OOK Neighbours, стр. Mo.4.E.2.

[4] в‘ TP: Der Glasfaser-Schallwandler. Архивировано из первоисточника 21 августа 2011. Проверено 4 декабря 2005.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

Оптическое волокно

Содержание

[править] История

[править] Материалы

[править] Конструкция

[править] Классификация

[править] Применение

[править] Волоконно-оптическая связь

[править] Волоконно-оптический датчик

[править] Другие применения оптического волокна

[править] Примечания

[править] См. также

[править] Литература

[править] Ссылки

Личные инструменты

Пространства имён

Варианты

Просмотры

Действия

Поиск

Навигация

Участие

Печать/экспорт

Инструменты

На других языках