На каком свойстве света основано создание волоконных световодов

1.2.1 Виды световодов

Световод – это устройство, ограничивающее область распространения оптических колебаний и направляющее поток световой энергии в заданном направлении.
Различают два вида световодов: плоские и волоконные (рисунок 1.1, 1.2)

Плоские (планарные) световоды в свою очередь подразделяют на плёночные (рисунок 1.1,а) и канальные (рисунок 1.1,б).

Волоконный световод (ВС) – это направляющая система, выполненная в виде тонкого стеклянного волокна цилиндрической формы, состоящая из сердцевины и оболочки, по которой осуществляется передача световых волн.

Волоконные световоды бывают однослойные (рисунок 1.2,а), двухслойные (рисунок 1.2,б) и трёхслойные (рисунок 1.2,в) и т.д. Показатель преломления материала сердцевины n1= √ε1, а оболочки – n2= √ε2, где ε1 и ε2 – относительные диэлектрические проницаемости. Относительная магнитная проницаемость материала μ обычно постоянна и равна единице. Показатель преломления вакуума n0 равен единице.

Типичный волоконный световод представляет собой длинную нить диаметром от 100 до 1000мкм в зависимости от применений, состоящую из цилиндрической сердцевины, окружённой одной или несколькими оболочками из материалов с меньшими показателями преломления. Показатель преломления оболочки постоянен, а сердцевины в общем случае является функцией поперечной координаты (например, радиуса в случае круглого световода). Эту функцию называют профилем показателя преломления (ППП).

Отрезки световодов используют для построения оптических устройств как активных (генераторов, модуляторов, демодуляторов и т.п.), так и пассивных (ответвителей, мостов, соединителей и т.п.).

1.2.2 Принцип действия волоконного световода. Типы лучей. Моды

Для передачи электромагнитной энергии по световоду используется известное явление полного внутреннего отражения на границе раздела двух диэлектрических сред, поэтому, как будет показано ниже, необходимо, чтобы n1>n2. Разность показателей преломления на границе «сердцевина – оболочка» обычно составляет 1–0,1%. Кроме того, оболочка защищает распространяющийся по сердцевине свет от любых внешних воздействий и помех.

В зависимости от величины угла θ, который образуют с осью лучи, выходящие из точечного источника в центре торца световода (рисунок 1.3), возникают лучи излучения 1, лучи оболочки 2 и лучи сердцевины 3.

Рисунок 1.3 – Принцип действия волоконного световода

Типы лучей. В сердцевине существуют два типа лучей: меридиональные, которые пересекаются в некоторой точке с осью световода и косые, которые с осью световода не пересекаются. На рисунке 1.3 показаны меридиональные лучи.

Лучи, траектории которых полностью лежат в оптически более плотной среде, называются направляемыми. Поскольку энергия в направляемых лучах не рассеивается наружу, такие лучи могут распространяться на большие расстояния.

Моды.
Световые волны, которые образуются направляемыми лучами, многократно отражаясь от границы «сердцевина – оболочка», накладываются сами на себя и образуют направляемые волны (моды). Для облегчения восприятия под модой достаточно понимать вид траектории, вдоль которой распространяется свет.

1.2.3 Типы волокна

Оптическое волокно – это сочетание стеклянного волокна с защитным покрытием, являющимся конструктивным элементом. Термин используется обычно при рассмотрении конструктивных и технологических особенностей волоконно оптических кабелей.

Термины «оптическое волокно» и «волоконный световод» являются синонимами. Последний обычно применяется при рассмотрении вопросов передачи информации с помощью законов оптики.

Волокно, в котором распространяется несколько мод, называется многомодовым (ММ). В ММ волокне диаметр сердцевины больше длины волны (dc>>λ). Волокно, в котором распространяется одна мода называется одномодовым (ОМ). В ОМ волокне диаметр сердцевины соизмерим с длиной волны (dc≈λ). По существующему международному стандарту для средств связи принято, что диаметр оболочки волокна должен быть равен 125 мкм. Оболочка изготавливается из кварцевого стекла (SiO2) с n2=1,45, а сердцевина – из кварцевого стекла с добавками GeO2 или P2O5. Для промышленно выпускаемых световодов ОМ волокно имеет диаметр сердцевины 7–10мкм, а ММ волокно – 50–65,5мкм.
Существует три основных типа волокон: ступенчатое ММ, градиентное ММ и ступенчатое ОМ волокно (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 – Поперечное сечение и ППП ступенчатого многомодового (а), градиентного многомодового (б) и ступенчатого одномодового (в) волокна

Принцип передачи электромагнитной энергии по ступенчатому многомодовому, градиентному многомодовому и ступенчатому одномодовому волокну представлен на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 – Лучевой принцип распространения электромагнитной энергии по ступенчатому многомодовому (а), градиентному многомодовому (б) и ступенчатому одномодовому (в) волокну

Лучи света входят в сердцевину волокна с торца и удерживаются за счёт полного внутреннего отражения внутри сердцевины (рисунок 1.5,а), или изгибаются в направлении градиента показателя преломления (рисунок 1.5, б).

1.2.4. Геометрические параметры световода

Формальные выкладки удобнее производить для ступенчатого световода, в котором показатель преломления сердцевины является постоянной величиной (n1=const). На рисунке 1.6 показан ход лучей в таком световоде.

Рисунок 1.6 – Ход лучей в волоконном световоде со ступенчатым профилем показателя преломления

Относительная разность показателей преломления. Будем обозначать через n1 и n2 показатели преломления сердцевины и оболочки, соответственно. Один из важных параметров, который характеризует световод, это – относительная разность показателей преломления Δ :
Критический угол падения. Распространение света по световоду можно объяснить на основе закона полного внутреннего отражения, вытекающего из закона преломления света, установленного в 1621г. нидерландским астрономом и математиком Виллебрордом Снеллиусом:
где
n1 – показатель преломления среды 1;
θ1 – угол падения;
n2 – показатель преломления среды 2;
θ2– угол преломления.
Рассмотрим три случая:
а) Так как сердцевина является оптически более плотной средой по отношению к оболочке (n1>n2), то существует критический угол падения θ1=θkp – внутренний угол падения на границу, при котором преломлённый луч (луч1) идёт вдоль границы сред (θ2=90o).
Из закона Снеллиуса легко найти этот критический угол падения:
n1sinθkp=n2,
θkp=arcsin(n2/n1). (1.3)
б) Если угол падения на границу раздела меньше критического угла падения θ1kp, то при каждом внутреннем отражении часть энергии выходит наружу в виде преломлённого луча, что приводит в конечном итоге к затуханию света (луч 2).
в) Если же угол падения больше критического угла θ1>θkp, то при каждом отражении от границы вся энергия возвращается обратно в сердцевину благодаря полному внутреннему отражению (луч 3).
Числовая апертура. Режим полного внутреннего отражения предопределяет условия ввода света на входной торец волоконного световода. Из рисунка 1.6 видно, что световод удерживает лишь свет, заключённый в пределах некоторого телесного угла θA, величина которого обусловлена углом полного внутреннего отраженияθkp.
При угле падения, равном критическому ( θ1=θkp).
n0sinθA=n1sin(90o-θkp)=n1cosθkp. (1.4)
где n0 – показатель преломления вакуума.
Воспользуемся выражением n1sinθkp=n2 и выразим sinθA через показатель преломления сердцевины и оболочки, полагая n0=1:
n1sinθkp=n2, cos2θkp=1-sin2θkp=(n12-n22)/n12,
sinθA=n1cosθkp=√(n12-n22).
Чем больше угол θA , тем большая часть падающего на торец световода света может быть введена в световод и будет в нём распространяться за счёт полного внутреннего отражения.
Величину
называют числовой апертурой (NA — numerical aperture) световода (по аналогии с термином, используемым в оптике для определения способности микрообъективов собирать свет).
Числовая апертура – характеристика предельного угла θ, при котором входящие в ВС лучи испытывают полное внутренне отражение и ещё сохраняют возможность распространяться по сердцевине волокна.
Отметим, что NA является безразмерной величиной.
Для ВС со ступенчатым профилем показателя преломления (ППП) числовая апертура обычно равна 0,18–0,23, а с градиентным – 0,13–0,18.
Фирмы-изготовители волокна указывают соответствующее значение числовой апертуры. Для волокна со ступенчатым ППП, как получено выше, значение числовой апертуры, выражается через показатели преломления:
Для градиентного волокна используется понятие локальной числовой апертуры
NA(r)=√(n12(r)-n22). (1.7)
значение которой максимально на оси и падает до 0 на границе сердцевины и оболочки. Для градиентного волокна с параболическим ППП используется понятие эффективной числовой апертуры:
NAэфф=[√(n12(0)-n22)]/√ 2. (1.8)
где n1(0) – максимальное значение показателя преломления.
Нормированная частота. частотойОказывается целесообразным ввести нормированную частоту ν, которая объединяет структурные параметры ВС и длину волны излучения:
где dc – диаметр сердцевины ВС;
λ – длина волны излучения;
NA – числовая апертура ВС.

Источник

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

Опти́ческое волокно́ — диэлектрическая направляющая среда, предназначенная для канализации электромагнитных волн оптического и инфракрасного диапазонов. Оптическое волокно коаксиальной конструкции и состоит из сердцевины, оболочки и первичного акрилатного покрытия и характеризуется профилем показателя преломления.

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.

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 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]

Профиль показателя преломления различных типов оптических волокон:
слева вверху — одномодовое волокно;
слева внизу — многомодовое ступенчатое волокно;
справа — 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 сердцевины оптическое излучение распространяется по волокну в одной (основной, фундаментальной) моде и, как результат, отсутствует межмодовая дисперсия.

Существует три основных типа одномодовых волокон:

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;
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;
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]

Волоконно-оптический кабель

Основное применение оптические волокна находят в качестве среды для передачи информации в 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 2564 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]

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. 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.

См. также[править | править код]

Оптические материалы
Сварка оптического волокна
Сплайс-пластина
Оптические системы
Оптический рефлектометр
Субдлинноволновое оптическое волокно
Подводный коммуникационный кабель
Оптоволоконное измерение температуры
Фотонно-кристаллические волноводы
Спектральное уплотнение каналов, WDM, DWDM
ODF-панель

Примечания[править | править код]

↑ Коробейников А. Г., Гатчин Ю. А., Дукельский К. В., Тер-Нерсесянц Е. В. Проблемы производства высокопрочного оптического волокна — Статья. — УДК 681.7.- Научно-технический вестник ИТМО. — выпуск 2(84). — март-апрель 2013
↑ Душутин Н. К., Моховиков А. Ю. Из истории физики конденсированного состояния. Из истории физики конденсированного состояния С. 157. Иркутский государственный университет (2014).
↑ История ОАО «Ростелеком»
↑ «Record Breaking Fiber Transmission Speed Reported» ECN, 17 апреля, 2018
↑ Салифов И. И. Расчёт и сравнение сред передачи современных магистральных сетей связи по критерию латентности (задержки) // T-Comm – Телекоммуникации и Транспорт : журнал. — М.: ИД «Медиа паблишер», 2009. — № 4. — С. 42.
↑ NTT Press Release. 14 Tbps over a Single Optical Fiber: Successful Demonstration of World’s Largest Capacity. 140 digital high-definition movies transmitted in one second (September 29, 2006). Дата обращения 3 октября 2011. Архивировано 27 мая 2012 года.
↑ 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, С. Mo.4.E.2.
↑ Листвин А. В., Листвин В. Н., Швырков Д. В. Оптические волокна для линий связи. — М.: ЛЕСАРарт, 2003. — С. 8. — 288 с. — 10 000 экз. — ISBN 5-902367-01-8.
↑ Huawei представила прототип системы магистральной передачи 400G DWDM
↑ Создано оптоволокно с пропускной способностью до 255 терабит в секунду, Лента.ру (28 октября 2014).
↑ Александр Голышко, Виталий Шуб. Время чудес, или Тормоза для конца света. ИКС медиа. Журнал ИКС (7 июля 2017). Дата обращения 21 мая 2018.
↑ TP: Der Glasfaser-Schallwandler. Дата обращения 4 декабря 2005. Архивировано 21 августа 2011 года.
↑ Лопес Н. ., Секейра Ф. ., Гомес М. С., Рожерио Н. Н., Бильро Л. ., Задорожная О. А., Рудницкая А. М. Оптоволоконный сенсор, модифицированный графтингом молекулярно-импринтированного полимера для детектирования аммония в водных средах // Журнал «Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики». — 2015. — № 4. — ISSN 2226-1494.
↑ Научно-Производственная Компания «Оптолинк»: Новости. Дата обращения 17 июня 2013. Архивировано 18 июня 2013 года.

Литература[править | править код]

Н.К.Душутин, А.Ю.Моховиков. Из истории физики конденсированного состояния. — Иркутск: ИГУ, 2014.
Листвин А. В., Листвин В. Н., Швырков Д. В. Оптические волокна для линий связи. — М.: ЛЕСАРарт, 2003. — 288 с. — 10 000 экз. — ISBN 5-902367-01-8.
Волоконно-оптические датчики / Под ред. Э. Удда. — М.: Техносфера, 2008. — 520 с.
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. — New York: Oxford University Press, 1999. — 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. — San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers, 1998. — ISBN 1-55860-445-6.

Ссылки[править | править код]

Наний Олег Евгеньевич, Листвин Владимир Николаевич. Волокно, оптическое. Словарь нанотехнологических терминов. Дата обращения 13 октября 2015.
Изготовление оптических волокон (видео) (недоступная ссылка). Дата обращения 6 мая 2011. Архивировано 5 мая 2012 года.
Сварка оптического волокна / видеоинструкция, 3:12 мин.. Дата обращения 24 июня 2009.
Измерения на волоконно-оптических линиях связи / Цикл статей. Дата обращения 1 июля 2009.

Источник