Железный справочник - Оптиковолокно

Оптическое волокно обладает универсальными характеристиками, поэтому широко используется во многих областях науки и техники. В первую очередь, конечно, это волоконно-оптическая связь. Быстрота передачи данных позволяет задействовать информационный обмен на больших расстояниях, достаточно соблюдать правила монтажа оптического кабеля.

Относительная энергонезависимость оптоволокна стала причиной его применения в измерительных приборах, т.е. волоконно-оптических датчиках. При этом уникальные свойства этого материала позволяю применять приборы на его основе даже в экстремальных условиях, например, при высоких температурах, губительных для полупроводников. Волоконно-оптические датчики могут замерять температуру, напряжение, давление и т.д. Для дополнительной защиты от растяжений, разрывов применяется бронированно - армированное металлическими нитями покрытие. Так оптический кабель одномодовый бронированный может быть заложен прямо в грунт и прекрасно справляется с внешними негативными факторами.

Поскольку основные свойства оптического волокна напрямую связаны с природой света, передаваемого по кабелю, часто их применяют для создания осветительных приборов. Они нашли свое применение в различных сферах, например в медицине, декоративной светотехнике и т. д.

Многомодовое оптическое волокно — тип оптического волокна с большим диаметром сердцевины, проводящей лучи света благодаря эффекту полного внутреннего отражения (в стандартном многомодовом волокне со ступенчатым профилем).

Оптоволоконные системы связи – это линии нового поколения, которые позволяют передавать информационный поток на очень большие расстояния без затухания сигнала. Оптическое волокно имеет круглое сечение, состоит из сердцевины и оболочки с разной степенью преломления. Луч света, который распространяется внутри кабеля, передается с помощью многократного отражения.

По количеству передаваемых пучков света выделяют одномодовые и многомодовые линии. Чтобы определить характеристики оптоволокна применяется стандартная маркировка оптических кабелей связи, которая состоит из букв и цифр.

На оболочке указывается тип кабеля, тип защитного покрова, сердечника, осевые элементы и т. д. Из такого обозначения можно получить исчерпывающую информацию, чтобы соблюдать условия правильного монтажа и совмещения линий. Например, 4 волоконный оптический кабель оптимально подходит для установки внутриобъектовой локальной сети и прокладки внутри здания, что вытекает из характеристик маркировки.

Волоконная оптика — 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. 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. Например, если показатель преломления оболочки равен 1,474, то показатель преломления сердцевины — 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.

Одномодовое оптическое волокно — волокно, основной диаметр сердцевины которого, приблизительно в десять раз больше длины волны, проходящего по нему света.

В волокнах с различной величиной диаметра ядра (См.Рис.2) (различные волокна) имеют постоянный градиент уменьшения коэффициента преломления в ядре в пределах оси и оболочки. Откуда, уменьшая апертуру, можно определить оптимально-нужную и возможную в изготовлении её величину, например, для одномодульного оптического волокна (8-10 мкм), когда входящие волны света с различной длиной волны принимают резонансный эффект прохождения — т.е прохождение пучка волн не сталкиваясь между собой, принимая форму волны, отличающуюся от формы в обычной оптической среде (см. рис.2). Это заставляет лучи света принимать дугообразную и застывшую прямую форму, параллельной оси волокна, в зоне контакта и скользя отражаться (при приближении к оболочке), вместо того, чтобы иметь возможность резко отражаться от границы основной оболочки. Точнее, пики гармоник хода лучей прогибаются и такие дорожки уменьшают многопутевую дисперсию и лучи с большими углами падения и отражения и проходят больше через периферию более меньшего размера ядра. В данном случае, в отличие от многомодульного, выбранный профиль волны луча соответствует условию минимального различия в осевых скоростях распространения различных лучей в волокне и выбранный внутренний диаметр (8-10 мкм) обеспечивает идеальный профиль — параболическую форму волны в границах выбранного внутреннего диаметра.

Структура стандартного многомодового оптического волокна E 9,5/125 мкм (см. рис.1, рис.3) в соответствии со Стандарт EN 188100; Стандарт VDE 0888, часть 102; Рекомендация МСЭ-Т (ITU-T) G.652; Стандарт МЭК "IEC 60793-2”.

Волокно со ступенчатым профилем

Модовая дисперсия в оптическом волокне может быть исключена, если структурные параметры ступенчатого световода подобрать таким образом, что в нём будет направляться только одна мода, а именно — фундаментальная (основная) мода. Однако и основная мода так-же уширяется во времени по мере её прохождения по такому световоду. Это явление называется хроматической дисперсией. Она является свойством материала, поэтому как правило, имеет место в любом оптическом световоде, но в диапазоне длин волн от 1200 до 1600 нм она относительно мала или отсутствует. Для изготовления ступенчатого волоконного световода с малым затуханием, который направляет только фундаментальную моду в диапазоне длин волн более 1200 нм диаметр поля моды должен быть уменьшен до 8-10 мкм.[2] Такой ступенчатый волоконный световод называется стандартным одномодовым оптическим волокном.

Волокна с многоступенчатым профилем

Профиль показателя преломления обычного одномодового световода имеет ступенчатый профиль. Для такой структуры профиля сумма дисперсии материала в волноводной дисперсии при длине волны около 1300нм равна нулю. Для современных устройств передачи данных по оптическому волокну, использующих длины волн 1550 нм или одновременную передачу сигналов на нескольких длинах волн, желательно иметь нулевую дисперсию и при других длинах волн. А для этого необходимо изменить волновую дисперсию и, следовательно, структуру профиля преломления волоконного световода. Это приводит к многоступенчатому или сегментному профилям показателя преломления. Используя эти профили, можно производить волоконные световоды, у которых длина волны с нулевой дисперсией сдвинута до 1550 нм (волокно со смещённой дисперсией) или величины дисперсии очень малы во всём диапазоне волн от 1300 нм до 1550 нм (волокно со сглаженной или компенсированной дисперсией).

Попытки использовать свет, для передачи информации уходят к временам, когда человек только научился сохранять огонь. Всевозможные сигналы, с помощью костров, фонарей, маяков человечество использовало тысячелетия.

В 1790 году, во Франции, Колд Шапп построил систему оптического телеграфа состоящую из цепи семафорных башен с сигнальными рычагами. Следующий большой шаг сделал в 1880 году американец Александр Грэхем Белл. Он изобрёл фотофон, в котором речевые сигналы передавались с помощью света. Однако эта идея не нашла практического применения. Погода и состояние атмосферы не позволяли гарантированно передавать сигнал на приемлемые расстояния. Атмосфера, как среда передачи была неудобна.

Дэниел Колладон ещё в 1842 году описал эффект названный "световой фонтан" или "световая труба", а в 1870 году, английский физик Джон Тиндаль продемонстрировал (см. Рис.1), что свет может передаваться в потоке воды. В его экспериментах использовался принцип полного внутреннего отражения, который используется в современных световодах.

Следующим заметным этапом был патент, который получил в 1934 году американец Норман Р. Френч на оптическую телефонную систему. Он предлагал модулировать речевыми сигналами свет и передавать его по системе «кабелей» состоящих из стержней изготовленных из чистого стекла. Для реализации этого проекта необходимо было иметь подходящий источник излучения и возможность изготовления сверхчистого материала для светопроводящих стержней. Технически реализовать его идею удалось только спустя четверть века.

В 1958 году американцы Артур Шавлов и Чарльз Г. Таунс, и независимо советские физики Прохоров и Басов разработали лазер. Первые лазеры начали работать в 1960 году. Позже, в 1962 году советский учёный Ж. Алфёров предсказал возможность создания гетеропереходов и построение на их основе полупроводниковых лазерных излучателей. Позже были созданы полупроводниковые светодиодные и лазерные излучатели. К этому времени уже были разработаны полупроводниковые фотодиоды. Но для построения эффективных сетей передачи данных необходимо было иметь световоды с коэффициентом затухания не более 20 дБ/км. Лучшие на то время световоды использующиеся в медицине для прямой передачи изображения на короткие расстояния составляло порядка 1000 дБ/км.

Прорыв был произведён в 1970 году компанией Corning. Они получили оптические волокна со ступенчатым профилем показателя преломления с коэффициентом затухания на длине волны 633 нм. менее 20 дБ/км. Уже к 1972 году удалось уменьшить коэффициент затухания на длине волны 850 нм. до 4 дБ/км. Современные многомодовые волокна имеют коэффициент затухания на длине волны 850 нм. не более 2,7 дБ/км., одномодовые волокна имеют коэффициент затухания на длине волны 1550 нм. не более 0,2 дБ/км.

Первые волоконно-оптические кабели были пущены в эксплуатацию для телефонной связи на кораблях военно-морского флота США в 1973 году. Позже они стали активно использоваться в авиации, позволяя полностью исключить помехи в каналах передачи данных и при этом существенно уменьшить вес оборудования.

Первый стандартный подводный волоконно-оптический кабель (ТАТ-8) был успешно проложен через Атлантический океан в 1988 году.