Из чего сделано оптическое волокно

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

Волоконная оптика — раздел прикладной науки и машиностроения, описывающий такие волокна. Кабели на базе оптических волокон (волоконно-оптический кабель) используются в волоконно-оптической связи, позволяющей передавать информацию на бо́льшие расстояния с более высокой скоростью передачи данных, чем в электронных средствах связи [1] . В ряде случаев они также используются при создании датчиков.

Содержание

История [ править | править код ]

Принцип передачи света, используемый в волоконной оптике, был впервые продемонстрирован в XIX веке, но повсеместное применение было затруднено отсутствием соответствующих технологий.

В 1934 г. американец Норман Р. Френч получил патент на оптическую телефонную систему, речевые сигналы в которой передавались при помощи света по стержням чистого стекла. В 1962 г. был создан полупроводниковый лазер и фотодиод, используемые как источник и приёмник оптического сигнала [2] .

Повсеместному переходу на технологии ВОЛС мешали высокие затухания в оптическом волокне, поэтому конкуренция с медными линиями была невозможна. Только к 1970 г. компании Corning ( англ. ) удалось наладить коммерческое производство волокна с низким затуханием — до 17 дБ/км, через пару лет — до 4 дБ/км. Волокно являлось многомодовым и по нему передавалось несколько мод света. К 1983 году был освоен выпуск одномодовых волокон, по которым передавалась одна мода.

В России первые волоконно-оптические линии появились в Москве. Первой подводной ВОЛС стала магистраль Санкт-Петербург — Аберслунд (Дания), проложенная АО «Совтелеком» (ныне ПАО «Ростелеком» [3] ).

В 2018 году исследователи из исследовательского института NICT Network System и компании Fujikura Ltd, специалисты которой разработали новый тип трехмодового (трехканального) оптического волокна, провели эксперимент, во время которого была достигнута скорость передачи информации в 159 терабит в секунду на расстояние 1045 километров. В обычных условиях задержки при использовании многомодового оптоволокна мешают одновременно получать высокие скорости передачи и осуществлять передачу на большие расстояния. И данное достижение является своего рода демонстрацией нового метода преодоления ограничений [4] .

Материалы [ править | править код ]

Стеклянные оптические волокна делаются из кварцевого стекла, но для дальнего инфракрасного диапазона могут использоваться другие материалы, такие как фторцирконат, фторалюминат и халькогенидные стёкла. Как и другие стёкла, 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).

Конструкция [ править | править код ]

Оптическое волокно, как правило, имеет круглое сечение и состоит из двух частей — сердцевины и оболочки. Для обеспечения полного внутреннего отражения абсолютный показатель преломления сердцевины несколько выше показателя преломления оболочки. Сердцевина изготавливается из чистого материала (стекла или пластика) и имеет диаметр 9 мкм (для одномодового волокна), 50 или 62,5 мкм (для многомодового волокна). Оболочка имеет диаметр 125 мкм и состоит из материала с легирующими добавками, изменяющими показатель преломления. Например, если показатель преломления оболочки равен 1,474, то показатель преломления сердцевины — 1,479. Луч света, направленный в сердцевину, будет распространяться по ней, многократно отражаясь от оболочки.

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.

Классификация [ править | править код ]

Оптические волокна могут быть одномодовыми и многомодовыми. Диаметр сердцевины одномодовых волокон составляет от 7 до 10 микрон. Благодаря малому диаметру сердцевины оптическое излучение распространяется по волокну в одной (основной, фундаментальной) моде и, как результат, отсутствует межмодовая дисперсия.

Существует три основных типа одномодовых волокон:

1. одномодовое ступенчатое волокно с несмещённой дисперсией (стандартное) (SMF или SM, англ. step index single mode fiber ), определяется рекомендацией ITU-T G.652 и применяется в большинстве оптических систем связи;
2. одномодовое волокно со смещённой дисперсией (DSF или DS, англ.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;
3. одномодовое волокно с ненулевой смещённой дисперсией (NZDSF, NZDS или NZ, англ.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 диаметра сердцевины по многомодовому волокну распространяется несколько мод излучения — 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 — 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 микрометров и оболочкой диаметром 490 и 1000 мкм.

Применение [ править | править код ]

Волоконно-оптическая связь [ править | править код ]

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 защищённость от несанкционированного доступа, низкое затухание сигнала при передаче информации на большие расстояния, возможность оперировать с чрезвычайно высокими скоростями передачи и пропускной способностью даже при том, что скорость распространения сигнала в волокнах может быть до 30 % ниже, чем в медных проводах и до 40 % ниже скорости распространения радиоволн. [5] Уже к 2006 году была достигнута частота модуляции 111 ГГц [6] [7] , 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. Так, к 2008 году была достигнута скорость 10,72 Тбит/с [8] , а к 2012 — 20 Тбит/с [9] . Последний рекорд скорости – 255 Тбит/с [10] .

С 2017 года специалисты говорят о достижении практического предела существующих технологий оптоволоконных линий связи и о необходимости кардинальных изменений в отрасли. [11]

Волоконно-оптический датчик [ править | править код ]

Оптическое волокно может быть использовано как датчик для измерения напряжения, температуры, давления и других параметров. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии дают 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 микрофон, основными элементами которого являются лазерный излучатель, отражающая мембрана и оптическое волокно [12] .

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.

С использованием полимерных оптических волокон создаются новые химические датчики (сенсоры), которые нашли широкое применение в экологии, например, для детектирования аммония в водных средах [13] .

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 [ источник не указан 2342 дня ] и в некоторых моделях машин (для навигации). Волоконно-оптические гироскопы применяются в космических кораблях «Союз» [14] . Специальные оптические волокна используются в интерферометрических датчиках магнитного поля и электрического тока. Это волокна, полученные при вращении заготовки с сильным встроенным двойным лучепреломлением.

Другие применения [ править | править код ]

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. Также в автомобильной светотехнике (индикация на приборной панели).

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 — например, в эндоскопе, который используется для просмотра объектов через маленькое отверстие.

Оптическое волокно используется при конструировании волоконного лазера.

Привет, друзья! О том, что такое оптоволокно, уже писал наш гуру Интернета и беспроводных технологий Бородач (ссылка на статью обязательно будет ниже). Но мои коллеги решили, что Блондинка тоже должна написать на эту тему и заодно добавить знаний в свою красивую головку. Ну что ж, надо – значит, надо! Будем разбираться.

Определение для чайников

Материалы

Стеклянное” оптоволокно производится из кварца. Это обеспечивает следующие характеристики:

• Высокая оптическая проницаемость – это позволяет транслировать волны разных диапазонов;
• Минимальная потеря сигнала (малое затухание);
• Температурная устойчивость;
• Гибкость.

Для дальнего диапазона применяют халькогенидные стекла, калий цирконий фтористый или криолит калия.

Сейчас развивается производство оптоволокна из пластика. При этом сердцевину (ядро) делают из органического стекла, а оболочку из фторопластов. Недостатком полимерных материалов считают низкую пропускную способность в зонах с инфракрасным излучением.

Строение

Из чего состоит оптоволокно? Это круглая в разрезе нить, внутри которой есть ядро (сердцевина), снаружи покрытое оболочкой. Чтобы обеспечить полное внутреннее отражение, показатель преломления ядра должен быть выше того же параметра для оболочки. Как это работает – луч света, направленный в ядро, многократно отражается от оболочки.

Диаметр оптоволоконной нити, которая используется в телекоммуникациях, равен 124-126 микрон. При этом диаметр ядра может отличаться – все зависит от типа оптоволокна (об этом я расскажу в следующем разделе) и национальных стандартов.

1 микрон – это 0,001 мм. Я посчитала, получается, что диаметр всего 0,125 мм.

Виды и области применения

Оптическое волокно бывает двух типов (в зависимости от количества лучей в волокне – мод):

1. Одномодовое. Диаметр ядра – 7-10 микрон, светоотражение проходит в одной моде. Типы:

• Стандартное (с несмещенной дисперсией);
• Со смещенной дисперсией;
• С ненулевой смещенной дисперсией.

1. Многомодовое. Диаметр сердцевины – 50-62 микрон (зависит от национальных стандартов), излучение проходит по нескольким модам. Классифицируются на:

• Ступенчатые;
• Градиентные.

Оптический” кабель

Вот мы и подобрались к самой большой тайне современности – оптоволоконный кабель, который соединяет города и континенты и передает информацию со скоростью света. При этом к нам в квартиру Интернет попадает через витую пару, чаще всего из 8 проводков. Максимальная скорость будет достигать значения в 1 Гбит/сек.

Достоинства и недостатки

Напоследок давайте разберемся в плюсах и минусах оптоволоконного кабеля. Начнем с преимуществ:

• Малые потери при большой длине ретрансляционного участка;
• Возможность передачи информации по тысячам каналов;
• Малые размеры и масса;
• Высокая защищенность от помех и внешних воздействий;
• Безопасность.

А теперь о недостатках:

• Подверженность радиации, за счет чего возрастает затухание сигнала;
• Подверженность стекла водородной коррозии, что приводит к повреждениям материала и ухудшению свойств.

По теме у нас есть еще 2 статьи. Почитать можно тут и тут.

На этом можно заканчивать. Надеюсь, была полезной, а мой рассказ интересным. Всем пока!

Привет, друзья! О том, что такое оптоволокно, уже писал наш гуру Интернета и беспроводных технологий Бородач (ссылка на статью обязательно будет ниже). Но мои коллеги решили, что Блондинка тоже должна написать на эту тему и заодно добавить знаний в свою красивую головку. Ну что ж, надо – значит, надо! Будем разбираться.

Определение для чайников

Материалы

Стеклянное” оптоволокно производится из кварца. Это обеспечивает следующие характеристики:

• Высокая оптическая проницаемость – это позволяет транслировать волны разных диапазонов;
• Минимальная потеря сигнала (малое затухание);
• Температурная устойчивость;
• Гибкость.

Для дальнего диапазона применяют халькогенидные стекла, калий цирконий фтористый или криолит калия.

Сейчас развивается производство оптоволокна из пластика. При этом сердцевину (ядро) делают из органического стекла, а оболочку из фторопластов. Недостатком полимерных материалов считают низкую пропускную способность в зонах с инфракрасным излучением.

Строение

Из чего состоит оптоволокно? Это круглая в разрезе нить, внутри которой есть ядро (сердцевина), снаружи покрытое оболочкой. Чтобы обеспечить полное внутреннее отражение, показатель преломления ядра должен быть выше того же параметра для оболочки. Как это работает – луч света, направленный в ядро, многократно отражается от оболочки.

Диаметр оптоволоконной нити, которая используется в телекоммуникациях, равен 124-126 микрон. При этом диаметр ядра может отличаться – все зависит от типа оптоволокна (об этом я расскажу в следующем разделе) и национальных стандартов.

1 микрон – это 0,001 мм. Я посчитала, получается, что диаметр всего 0,125 мм.

Виды и области применения

Оптическое волокно бывает двух типов (в зависимости от количества лучей в волокне – мод):

1. Одномодовое. Диаметр ядра – 7-10 микрон, светоотражение проходит в одной моде. Типы:

• Стандартное (с несмещенной дисперсией);
• Со смещенной дисперсией;
• С ненулевой смещенной дисперсией.

1. Многомодовое. Диаметр сердцевины – 50-62 микрон (зависит от национальных стандартов), излучение проходит по нескольким модам. Классифицируются на:

• Ступенчатые;
• Градиентные.

Оптический” кабель

Вот мы и подобрались к самой большой тайне современности – оптоволоконный кабель, который соединяет города и континенты и передает информацию со скоростью света. При этом к нам в квартиру Интернет попадает через витую пару, чаще всего из 8 проводков. Максимальная скорость будет достигать значения в 1 Гбит/сек.

Достоинства и недостатки

Напоследок давайте разберемся в плюсах и минусах оптоволоконного кабеля. Начнем с преимуществ:

• Малые потери при большой длине ретрансляционного участка;
• Возможность передачи информации по тысячам каналов;
• Малые размеры и масса;
• Высокая защищенность от помех и внешних воздействий;
• Безопасность.

А теперь о недостатках:

• Подверженность радиации, за счет чего возрастает затухание сигнала;
• Подверженность стекла водородной коррозии, что приводит к повреждениям материала и ухудшению свойств.

По теме у нас есть еще 2 статьи. Почитать можно тут и тут.

На этом можно заканчивать. Надеюсь, была полезной, а мой рассказ интересным. Всем пока!