Оптоволокно

Пучок оптических волокон

Оптоволокно или оптическое волокно - это техническое изделие, состоящее из оптического световода и защитных покрытий и маркируя цветной оболочки.

Оптический световод - является физической средой транспортировки оптического сигнала и состоит из сердцевины и оболочки, имеющих различные величины показателей преломления, это благодаря явлению полного внутреннего отражения дает возможность транспортировать оптические сигналы ( свет), которые генерируются оборудованием к которому подключено оптическое волокно.

Полное описание процесса распространения света по оптическому волоконному световода (ВС) дает волновая электромагнитная теория. Она показывает, что распространяться по волоконному световода могут только те типы волн, которые формируют в поперечном сечении ВС резонансную волну. Такие типы волн образуют моды волновода. Режим работы ВС (равно - многомодовый) определяется величиной нормированной частоты V.

Соответственно за режимом работы ВС делятся на два основных типа оптического волокна (ОВ)

  • Одномодовые
  • Многомодовые

Сердцевина оптического световода имеет разнообразную зависимость величины показателя преломления по радиальной осью световода, которая называется профилем показателя преломления (ППС). Например:

  • Световоды с градиентным показателем преломления
  • Световоды с ступенчатую профилем показателя преломления.

Если 0

Волоконная оптика - раздел прикладной науки и машиностроения, описывающий такие волокна. Оптоволокна используются в оптоволоконному связи, который позволяет передавать цифровую информацию на большие расстояния и с более высокой скоростью передачи данных, чем в электронных средствах связи. В ряде случаев они также используются при создании датчиков.

Согласно физических свойств оптоволокна необходимы специальные методы для их соединения с оборудованием. Оптоволокна является основным элементом для различных типов волоконно-оптических кабелей в зависимости от того, где они будут использоваться.

Принцип передачи света внутри оптоволокна был впервые продемонстрирован во времена королевы Виктории ( 1837 - 1901), но развитие современных оптоволокон начался в 1950-х. Их стали использовать в связи несколько позже, в 1970-х, с этого времени технический прогресс значительно увеличил диапазон применения и скорость распространения оптоволокон, а также уменьшил стоимость систем оптоволоконной связи.


1. История [1]

Передача света вдоль тонкого силиконового волокна согласно закону преломления, впервые продемострував Даниэль Колладон и Джакиз Бабинет в начале 1840-х годов в Париже. Джон Тиндел ввел показательные демонстрации в свои общественные лекции в Лондоне десяток лет позже [2]. Тиндел также писал о свойствах полного внутреннего отражения в своей ознакомительной работе о природе света в 1870 году:

"

Когда свет проходит в направлении с воздуха в воду, то преломленный луч смещается в сторону перпендикуляра ... В случае, когда угол, образованный лучом в воде и перпендикуляром к поверхности, превышает 48 градусов, световой луч не покинет среду воды вообще: он будет полностью загнут на линии раздела двух сред. Угол, ограничивающий границу полного внутреннего отражения, называется углом полного внутреннего отражения среды. Для воды он становть 48 ? 27 '., Для флинтового стекла - 38 ? 41', а для алмаза - 23 ? 42 ' [3] [4]

"

Практическое применение, такое как направлено освещение в полости рта при стоматологических процедур, появилось в начале ХХ века. Передача изображений по трубкам была продемострована независимо радиоекспериментатором Кларенс Ханселя и телевизионным первопроходцем Джоном Логи Бэйрд в 1920 годах. Этот эффект впервые был применен для внутреннего медицинского обследования Гайнриком Ламм течение следующего десятилетия. В 1952 году физик Нерайндер Сайнг Капани провел эксперимент, который привел к изобретению оптического волоска. Современное оптоволокно, где стеклянная волос помещена в прозрачную оболочку с целью приведения коэффициента отражения к практическому уровня использования, зьявивилося на свет позже [2]. После этого все разработки сконцентрировались на снопах оптических волокон, приспособленных для передачи изображения. Первый оптический полугибкие гастроскоп был запатентован в 1956 году Бэзил Айзек Хиршовицим, Си Уилбер Питерзом, и Лоренцом И Куртизом, которые были исследователями Университета Мичигана. В процессе разработки гастроскоп, Куртиз упрешь применил стеклянный световод в оболочке. Первые образцы оптоволокна использовали воздуха и непрактичные масла и воск, как оболочку с низким показателем преломления. Вскоре появилась целый ряд других приложений, связанных с передачей изображений.

Жан Даниэль Колладон впервые описал "световой фонтан" или "световую трубку" в статье в 1842 году под заглавием "О отражение лучей в середине параболического потока жидкости". Эта популярная иллюстрация происходит из позднего сообщения от Колладон в 1884 году.

Оптоволокна для телекоммуникационных целей (назразок диагностики врачом желудка пациента и связи в пределах короткого радиуса) было впреше применен в Западной Европе в конце 19-ого и в начале 20-ого века. Особенно примечательно, что передача забражень оптоволоскамы приобрела популярность в начале 21 века из причин увеличения спроса в медицинской и телевизиний отраслях.

Также сообщалось, что японский ученый от Университета Тохоку Юн-ичи Нишазава предложил применение оптического волокна в сфере связи еще в 1963 году, как было в книге, напечатанной в 2004 году в Индии [5]. Нишазава изобрел другие технологии, которые способствовали совершенствованию оптоволоконных коммуникаций в большей степени [6]. Впоследствии он открыл оптические градиентные световоды, как канал передачи света от полупроводникового лазера [7].

Решающий момент произошел где-то в 1965 году, когда Чарльз К. Коу и Джордж А. Гокхем из британской компании Стандарт Телефонс энд кейблс впервые продвинули идею уменьшения затухания в оптоволокне к показателю, ниже от 20 dB / km, таким образом введя оптические кабели в зону практического применения для телекоммуникационных сетей [8]. Они утверждали, что затухание спричнинялося скорее примесями, способными быть вилученемы в волокне, доступном в то время, чем фундаментальным физическим законом рассеяния. Они правильно и последовательно теоретизировали об изменении свойств света в среде оптического волокна, и подсказали материал, пригодный для его производства - кварцевое стекло с высоким показателем чистоты. Это открытие привело Коу до получения Нобелевской Премии в области физики в 2009 году [9].

Принципиальный уровень затухания в 20 dB / km был достигнут впервые в 1970 году исследователями Робертом Д. Морер, Дональдом Кеком, Питером С. Ш., и Франко Зимаром, работавших в американской стекловаренные "Корник Глес Уорк". Теперь это предприятие называется "Корник Инкорпорейтед". Они продемострировали световод с уровнем затухания в 17 dB / km, в котором кварцевое стекло содержало примеси титана. Несколькими годами позже, они создали оптоволокно с уровнем затухания в 4 dB / km, используя диоксид германия как основу примеси. Столь низкое затухание предоставило импульса телекоммуникациям с использованием оптического волокна, и сделало Интернет доступным. В 1981 году Дженерал Электрик выпустил сплавлнеий слиток кварца, был пригодным для вытягивания в нитку длиной 40 km. [10]

Затухание в современном оптоволоконном кабеле значительно меньше, чем в медном электрическом, что повлияло на развитие линий телекоммуникационных передач длиной 70-150 км. Оптоволоконный усилитель с примесями эрбия, что существенно уменьшает стоимость оптоволоконных систем большой длины путем уменьшения количества или даже очень часто, полного исключения из схемы оптико-электронных повторителей, был разработан Дэвидом Н. Пейном из Университета Саусхамтона и Эмануэлем Дезервиром с Бел Лабс в 1986 году. В совершенном волокне применения качественного стекла для сердцевины и оболочки повышает устойчивость к процессам старения. Изобретатель Герхард Берниз, что обратил на это внимание, в 1973 году был задействован немецким предприятием Скот Глес [11].

В 1991 году из перспективного только возникшего технологического направления фотонных кристаллов, было начато разработку одноименных световодов [12], проводившие свет благодаря дифракционным явлениям на периодической структуре материала быстрее, чем путем полного внутреннего отражения. Первое фотонных кристаллическое волокно стало коммерчески доступным в 2000 году [13]. Такое оптоволокно является мощным, чем обычное, а его световодные частотные свойства могут быть контролируемы по необходимости с целью улучшения эффективности определенных приложений.


2. Принцип работы оптического волокна [14]

2.1. Структура

Структура типового одномодового волокна.
1. Сердцевина: 8 μm диаметр
2. Оболочка: 125 μm диаметр
3. Буфер: 250 μm диаметр
4. Обшивка: 400 μm диаметр

Оптический световод - это цилиндрический диэлектрический волновод, который передает свет от одного до другого конца всей своей длины благодаря физическому явлению полного внутреннего отражения. Световод состоит из сердцевинного и оболочечного слоя, изготовлены из материалов, обеспечивающих содержание света внутри кабеля. Для обеспечения функционирования данной системы диэлектриков, необходимо иметь коэффициент преломления сердцевины больше, чем оболочки. А также, граница двух сред может быть обрывистые, как у волокон из ступенчатую профилем сердцевины, или сглаженной, как у волокон с градиентным профилем сердцевины.

Структура оптоволоконного кабеля очень проста и похожа на структуру коаксиального электрического кабеля. Однако вместо медного сердечника здесь используется тонкое стекловолокно, а вместо внутренней изоляции - стеклянная или пластиковая оболочка, не позволяет свету выходить за пределы сборки. В этом случае речь идет о режиме так называемого полного внутреннего отражения света от границы двух веществ с различными коэффициентами преломления (у стеклянной оболочки коэффициент преломления значительно ниже, чем у центрального волокна).


2.2. Влияние коэффициента преломления

Коэффициент преломления - это соотношение скоростей света в вакууме и материале, к которому относится данный коэффициент. Луч света путешествует в вакууме быстрее всего со скоростью, близкой 300000 км / сек, а в диэлектрике - медленнее. Это зависит от свойств материала. Поэтому показатель преломления для составляющих оптоволокна всегда больше единицы. Типовое значение коэффициента преломления для оболочки составляет 1.46, а для сердцевины - 1.48. Чем больше показатель преломления в веществе - тем скорость луча в ней ниже. Из вышеупомянутого очевидно, что оптический коммуникационный сигнал будет проходить примерно 200 000 км / сек. Или, если сформулировать по-другому: 1000 километров сигнал пройдет за 5 сек.


2.3. Относительно полного внутреннего отражения

Траектория несущей светового луча в оптической волоске.

Когда луч путешествует в густом материале натыкается на препятствие под углом падения (больше чем критический для данного материала), то свет будет полностью отразилось. Этот эффект используется в оптическом волокне для содержания светового излучения в пределах его сердцевины. Оно распространяется вдоль волоска, отражаясь вперед и назад от границы раздела двух составляющих кабеля. По причине того, что луч должен упасть на границу раздела под определенным наклоном, что есть больше критический угол, то только свет, вошедшее в систему в пределах определенного диапазона направлений, может пройти через все волокно без утечки за его пределы. Указанный диапазон направлений называется конусом получения волокна. Размер конуса получения является функцией разницы индексов преломления материалов сердцевины и оболочки оптической волоса.

Иными словами, существует максимальный угол относительно оси оптоволокна, под которым световой луч может войти в среду кабеля и продвинуться вдоль его сердцевины. Синус максимума тупика является цифровой апертурой (NA) волокна. Волокно с большим NA не требует высокой точности его сращивания, и может может функционировать с другим волокном, имеет малый NA. Одномодовые оптические световоды имеют незначительный NA.

  1. угол падения и отражения - \ Theta_ {\ mathrm c} = \ arcsin \ left (\ frac {n_2} {n_1} \ right)
  2. цифровая апертура - NA = \ sin \ theta_ {\ mathrm {max}} = \ sqrt {n_1 ^ 2-n_2 ^ 2}.

3. Типы оптоволокна

3.1. Одномодовое волокно [15]

Розповюдження световых лучей через одномодовые оптические световоды.

Оптические световоды с диаметром сердцевины размером примерно одной десятой длины несущей световой волны, не могут быть смоделированными используя теорию геометрической оптики. Зато, вся структура должна быть рассмотрена с точки зрения классической электродинамики, применяя формулы Максвелла, приведенных к развязки уравнения распространения электромагнитных колебаний. Также такие физические явления как испекли, возникающие за счет пропагации когерентного излучения в многомодовых волокнах, тоже должны быть обоснованы как следствие теории Максвелла. Назразок оптического волновода, световод поддерживает один или где-то несколько локализованных поперечных режимов, в границах которых свет продвигается вдоль. Волокно, работает только в одном режиме, называется одномодовым или мономодовых. Поведение оптических световодов со значительным размером сердцевины тоже может быть смоделирована с помощью волновых уравнений, в результате демонстрирует их способность к пропускания света в нескольких режимах, или модах. Отсюда и название типов оптоволокна. Когда серецевина волоска достаточно велика для обеспечения пропагации световых лучей в нескольких модах, то математические расчеты согласно теориям Максвелла и геометрической оптики примерно совпадают.

Анализ волновода показывает, что лучистая энергия в волокне не полностью сосредоточены в пределах сердцевины. Зато, характерным для одномодовых световодов, значительная ее порция путешествует в привязана моде в среде оболочки как еванесцентна волна.

Наиболее распространенный тип одномодового волокна имеет диаметр сердцевины 8-10 микрометров и спроектирован для использования света близкого к инфракрасного диапазона спектра. Структура волны зависит от длины волны света, задействованного в процессе работы, таким образом световод фактически поддерживает незначительное количество дополнительных мод в видимой части спектра света. Многомодовое оптоволокно, для сравнения, изготовлено с диаметром центральной жилы поперечного размера менее чем 50 микрометров, и наиболее сотни микрометров. Нормализована частота V для волоска должна быть не более нулевой член степенного ряда функции Бесселя J 0 (примерно 2.405)


3.2. Многомодовое волокно [16]

Распространения световых лучей через многомодовые оптические световоды.

Оптическое волокно с большим диаметром сердцевины (более 10 микрон) может быть рассчитано с помощью методов геометрической оптики. Такое волокно называется многомодовым. Ступенчатую багатомодовое волокно проводит лучи света вдоль серецевины благодаря эффекту полного внутреннего отражения. Лучи, падающие на границу раздела компонентов волоска под стремительным углом, большим чем угол полного внутреннего отражения, испытывают полного зеркального отражения. Лучи соприкасающихся с границей под малым углом преломляются в направлении от сердцевины к оболочке, а дальше поглощаются и не передают информацию. Значительная цифровая апертура делает возможным свету пропагандироваться протяжении волокна благодаря лучам, расположенных близко к оси, а также под различными углами, позволяя эффективно компоновки пучка излучения в световоде. Однако попривсе, эта цифровая апертура увеличивает дисперсию, так как лучи путешествующих под разными углами проходят отрезки пути разной длины. Это, в конечном итоге, влияет на количество времени, необходимого для пересечения общей заданной длины кабеля.


3.3. Градиентное волокно

Распространения световых лучей через градиентные оптические световоды.

В градиентном волокне коэффициент преломления в сердцевине уменьшается постепенно от оси к внешней стенке волокна. Это заставляет лучи света выгибаться дугой при приближении к оболочке, в отличие от неожиданного отражения на границе раздела компонентов волоска. Как следствие, дугообразный путь продвижения уменьшает многовекторную дисперсию распространения, потому что лучи под значительными углами проходят через участок сердцевины с малым показателем преломления быстрее, чем под большим. Профиль градиента преломления выбирается так, чтобы минимизировать разницу между продольными скоростью пропагации лучей разной векторной направленности в волокне. Идеальный профиль градиента преломления очень близок к параболического при соотношении самой величины и расстояния до оси.


3.4. Поляризационно-стабильное волокно

Поляризационно-стабильные волокна имеют специальные применения, как оптоволоконные зондирования, интерферометрия и распространение квантумних кодов. Общепринятой, что они также используются для соединения лазерного источника света модулятора, поскольку сам модулятор требует подачи поляризованного света. Однако, для связки на длинных расстояниях поляризацино-стабильные волокна не эксплуатируются, из-за повышенного уровня затухания сигнала по сравнению с одномодовыми волокнами.

Поляризационно-стабильное оптоволокна не поляризует свет вроде поляризатора. Скорее, оно удерживает существующую поляризацию линейно поляризованного светового луча, запитанных в волокно при правильной ориентации. Если поляризация входного светового потока не настроена толком с хорошо выраженным пропуска направлением в самом световоде, то выходной сигнал будет определяться в пределах линейной и круговой поляризации. Такие параметры подачи света дают на выходе эллиптическую поляризацию в общем случае. Однако, точные ее характеристики будут зависеть от изменения температуры и стресса оптоволокна.


3.5. Фотонно-кристаллическое волокно

Фотонно-кристаллическое оптоволокно - новый класс оптических световодов, которые работают благодаря свойствам фотонных кристаллов. Из-за невозможности локализування света в полости пустотелого сердцевины и отсутствие каких-либо похожих свойств в традиционном оптоволокне, фотонно-кристаллические световоды сейчас получают широкое применение в оптических коммуникациях, волоконных лазерах, нелинейных оптических устройствах, трансляции высокой мощности, сверхчувствительных газовых датчиков и других устройствах.

Фотонно-кристаллические волокна делятся на две категории согласно механизму взаимодействия со светом. Имеющие сплошную сердцевину, или сердцевину с показателем преломления выше, чем микроструктурнаоболонка, могут оперировать по тому же принципу, что и обычное оптоволокно. Однако, они будут значительную разницу показателей преломления сердцевины и оболочки, способствовать эффективной локализации излучения в случае нелинейных оптических устройств. Другая категория - это волокно с фотонно-спектральным зазиром, в котором свет удерживается благодаря микроструктурным оболочке. Если спектральный зазир подобран правильно, то световым потоком можно управлять в части сердцевины с низким показателем преломления, или даже полностью постотилий, заполненной воздухом. Спектрально-Зазирный волокна с отсутствующим сердцевиной могут решить проблему, созданную ограничениями доступности необходимых материалов для изготовления световода. Например, можно создать волокно, которое производит свет с длиной волны, для которой прозрачные материалы отсутствуют. Еще одно потенциально важное применение - динамическое вприскуванння вещества световод. Таким образом можно анализировать присутствие некой субстанции в выбранном образце.



4. Природа затухания [17]

Затухание света через ZBLAN и диоксид кремниевая оптоволокно.

Затухание - это уменьшение интенсивности световых лучей в волосках относительно расстоянии пересеченной ими в среде передачи. Коэффициент затухания в оптоволокне обычно используется в единицах dB / km, благодаря относительно высокой прозрачности современного оптического медиуму. Как правило, им выступает кварцевый стеклянный световод, удерживающий захвачено лучей в границах своего физического тела. Затухание - является основным фактором, ограничивающим продвижения цифрового сигнала на большие расстояния. Неудивительно, основная масса исследований была проведена в связи с попытками уменьшить его влияние, и усилить оптический сигнал. Эмпирический анализ показал, что затухание в волосках возникает из-за рассеяния и поглощения.


4.1. Рассеяния света

Рассеяния света зависит от длины световой волны. Таким образом, возникают зоны видимости на шкале пространственных координат отсчета, зависящие от частоты падающего луча и физических размеров агенту рассеяния, который обычно предстает в виде некой микроструктуры. Поскольку видимый свет имеет размеры длины волны в единицах микрометров, то центр диффузного отражения должен иметь размеры сопоставимы величины.

Итак, причина затухания - это рассеяние света, созданного внутренними поверхностями границами раздела веществ. В кристаллических материалы, таких как металлы и керамика, в дополнение к пор на внутренних поверхностях границах раздела, существуют также нерегулярности в виде гранул. Недавно было продемостровано, что когда размер центра рассеяния меньше величины длины волны розсиюемого света, то показатели величины диффузного отражения больше не имеют практически значение. Этот феномен дал начало производству прозрачных керамических материалов.

Диффузное отражение света.

Аналогично, рассеяние света на материалах класса оптических волокон обуславливает нерегулярности на молекулярном уровне, или по-другому флуктуациями структурного строения стекла. Действительно, одна из свежих теорий утверждает, что стекло - это ничто иное, как ограниченный случай поликристаллического тела. В рамках данной выкладки, краеугольные домены локального группировки предстаються структурными блоками как металлов и сплавов, так и стекла и керамики. Распределены как внутри, так и снаружи этих доменов микроструктурные дефекты, и порождают наиболее идеальные места случаев диффузного отражения. Этот же эффект рассматривается и как один из ограничивающих факторов прозрачности инфраструктуры красных куполов для головок ракет.

В диапазоне значительной мощности оптического потока, рассеяния может вызываться также нелинейными процессами в толщине оптоволокна.


4.2. Ультрафиолетовое и инфракрасное поглощение.

В дополнение к диффузного отражения, потеря сигнала может быть вызвана избирательным поглощением определенных частот наподобие того, как при рассеянии появляются цвета. Основные факты анализа включают следующее.

  • На электронном уровне существует зависимость от параметров их орбит в понимании способности поглощать фотон определенной длины волны в ультрафиолетвовму или видимом диапазонах. Это то, что является первопричиной понятия цветов.
  • На атомном или молекулярном уровнях, все зависит от частот их колебаний или колебаний химических связь, насколько близко атомы или молекулы упакованы вместе, а также способны ли они проявлять длинную цепную структуру. Эти характеристики олицетворяют способность материала передавать длинные инфракрасные, радио-или СВЧ электромагнитные колебания.

Строение любого оптически прозрачного устройства требует выбора материалов, обоснованного на основе знаний их потенциальные ограничения. Характеристики кристаллической решетки, наблюдаемые на длинноволновых интервалах, определяют низкочастотную границу полосы пропускания материала. Они являются результатом интерактивного соотношения движения термически возбужденного множества атомов или молекул тела и падающей световой радиации. Отсюда, все материалы ограничены поглощением вызванным атомными и молекулярными колебаниями

Таким образом, мультифононне рассеяния проявляется, когда два или более фононы одновременно действуют, производя электрический дипольный момент, который взаимодействует с падающей лучистой радиацией. Эти диполи, конечно, отбирают энергию светового облучения, достигая максимума воздействия, при частоте света лучей, совпадающих с основной составляющей вибраций молекулярного диполя в дальнем инфракрасном диапазоне, или одной из их гармоник.

Выборочное поглощение инфракрасного света определенным материалом проявляется благодаря стечению некоторой составляющей частоты общей спектральной полосы света с частотой колебаний элементов кристаллической решетки или молекулярной структуры тела. Поскольку им присуща разнообразная природная частота колебаний, то отсюда происходит селективная способность поглощать различную лучистую энергию, или фрагмент спектра.

Отражения или пропускания оптических волн проходит только благодаря существованию разницы между световыми колебания и резонантнимы частотами вибрации элементов материала.


5. Производство

5.1. Материалы

Стеклянное оптоволокно почти всегда производится из диоксида кремния, однако где другие материалы, как фторид циркония, алюминия и Халькогениды, а также кристаллические материалы вроде сапфиров, тоже используется для длинноволновых инфракрасных и других специфических приложений. Диоксид кремниевая и флуоридне стекло обычно имеет коэффициент преломления где-то около 1.5, но другие материалы могут достигать этого показателя до 3. Умолчанию разница этих величин материалов сердцевины и оболочки волоса меньше одного процента. Пластиковое оптоволокно берется в основном в изготовление ступенчатую мультимодових световодов с диаметром сердцевины 0.5 мм, или больше. Пластиковое волокно демонстрирует больший коэффициент затухания по сравнению со стеклянным, где-то на уровне 1 dB / m или больше. Такой показатель является ограничивающим фактором в прикладных системах на базе световодов из этого материала.


5.1.1. Диоксид кремния

Диоксид кремния проявляет достаточно хорошие характеристики пропускания света в объеме широкой полосы лучистого излучения. В области ближнего инфрачервого спектра, где-то около 1.5 мкм, диоксид кремния имеет очень малую составляющую поглощения и рассеяния, на уровне 0.2 dB / km. Высокая прозрачность диапазона 1.4 мкм достигнута благодаря малой концентрации гидроксильных групп (ОН). Соответственно, высокая концентрация гидроксильных групп улучшает передачу сигнала с использованием ультрафиолетовых волн

Диоксид кремния также хорошо вытягивается в волокно при относительно невысокой температуре, и имеет приемлемые показатели стеклования. Другими перваго является пайки и покалывание. Такие стеклянные световоды также выдерживают значительные механические деформации изгиба и растяжения, отметив что жила не очень толстая и поверхность хорошо подготовлена ​​во время обработки. Даже обычный злом конца волокна может создать хорошую плоскую поверхность с приемлемыми оптическими показателями. Диоксид кремния - относительно химически инертный материал, и не гигроскопичен.

Кремниевое стекло может быть легированной разнообразными материалами. Одним из намерений легирования цель увеличения индекса преломления. Например, для этого используется диоксид германия или оксид алюминия. Наоборот, для уменьшения этого индекса может использоваться фтор или оксид бора. Легирования ионами, способным генерировать когерентное излучение, позволяет получить активное волокно, применяется как усилитель или лазер. Обычно оба, сердцевина и оболочка, легюються, так-что по сути тождественны соединениями: алюмосиликаты, германосиликатом, фосфоросиликатом или боросиликатное стеклом.

Как исключение, для активного волокна чистое стекло - не очень подходящий держатель, потому что оно имеет низкую растворимость для щелочноземельных ионов. Это может стать помехой и учитывая их роювання. Алюмосилисат является более подходящим в данном случае.

Диоксид кремниевое волокно анотуе высокий порог оптического повреждения. Такое свойство подкрепляет низкую тенденцию к распаду под влиянием когерентной индукции. Это важно для волокнонних усилителей особенно в приложениях короткой пульсации.


5.1.2. Фторид

Флуоридне стекло - это безоксидний класс стекла оптического качества, состоящий из лития разнообразных металлов. В связи с их низкой вязкостью, очень трудно полностью избежать кристаллизации в процессе обработки, как, например, вытягивание по пластической заготовки. Таким образом, даже если флуоридне стекло тяжелых металлов (ФСВМ) проявляет очень незначительное оптическое затухание, его все-таки сложно производить, чрезвычайно ломкими и ему свойственна гигроскопичность. Наилучшим показателем является отсутствие полос поглощения связанных с гидроксильным группами, которые имеют место буквально во всяком оксидном стекле.

Примером флуоридного стекла тяжелых металлов группа ZBLAN-стекла, состоящий из лития циркония, бария, лантана, алюминия и натрия. Их основным технологическим применением является отичний волновод в планарных и волоконной формах. Они особенно благоприятны центральном участке инфракрасного диапазона от 2000 до 5000 nm.

ФСВМ изначально было задуманным для использования в оптических волноводах, потому что их специфические потери в волокне работающем в середине инфракрасной полосы ниже диоксида кремния, которое прозрачное только около 2 микрометров. Однако такие малые потери никогда не были использованы на практике, и ломкость и значительная стоимость флуоридних световодов не сделала их идеальными кандидатами. Позже была изобретена пригодность этих волокон в реальных приложений в других сферах. Таковы инфракрасная спектроскопия среднего участка полосы, волоконно-оптические датчики, термометрия и обработка изображений. Также, фторид световоды могут быть использованы как медийные световоды для итриум-алюминий-гранатового (YAG) лазера на длине волны 2.9 мкм, что требуется для медицинских применений, например в офтальмологии и стоматологии.


5.1.3. Фосфатное стекло

The P 4 O 10 клиткоподибна решетка - основная структурная единица фосфатного стекла.

Фосфатное стекло является представителем класса оптического стекла, состоящий из соединений метафосфат ризномаитних металлов. Вместо SiO 4-тетраэдра, наблюдается в диоксидно кремниевом материале, основными элементами структуры которого является оксид фосфора (P 2 O 5), кристаллизуется в четырех отличных формах. Самой известной является полиморфическое форма с участием молекулы P 4 O 10.


5.2. Процесс

Стандартное оптическое волокно изготавливается сначала путем создания заготовки с тщательно контролируемой величиной показателя преломления, а затем световод образуется из нее путем вытягивания в длинную нить. Типично заготовка делается благодаря трем процессам химического осаждения: внутреннее, внешнее и осевое осаждения паров.

В случае внутреннего осаждения паров, заготовка строится как полая стеклянная трубка длиной примерно 40 cm, которая размещается горизонтально и медленно проворачивается на станке. Газы, такие как хлорид кремния (SiCl 4) или хлорид германия (GeCl 4), впрыскиваются с кислородом с одного конца трубки. Затем они прогреваются с помощью внешней водородной водки, поднимая температуру паров до 1900 К (1600 ? C, 3000 ? F), в результате чего тетрахлорида реагируют с кислородом, производя частицы диоксида кремния или оксида германия соответственно. Когда условия химической реакции подобраны таким образом, что процесс протекает в объеме газовой субстанции всей трубки, в отличие от метода где реакция проходит только на поверхности трубки, то такой способ изготовления называется модифицированным химическим осаждением паров.

Иллюстрация осаждения химических паров.

Оксидные частицы, агломеруються в длинные молекулярные цепи, затем оседают на стенках трубки вроде сажи. Осаждения возможно благодаря большой разнице температур газообразной сердцевины и оболочки трубки проталкивает молекулы оксидов. Этот процесс известен как термическая диффузия. Впоследствии водка передвигается вперед и назад по длине заготовки, чтобы осадить материал равномерно. Следующим шагом является повышение температуры трубки по всей ее длине до предела, когда осаждение плавятся для того чтобы кристаллизоваться в твердый слой. Этот цикл повторяется до тех пор, пока не будет достигнута достаточное количество оксидов. Для каждого слоя конечно можно изменять элементы и концентрацию составляющих, что приведет к более точного контроля окончательных показателей оптического волокна.

В случае внешнего осаждения паров стекло формируется гидролизом пламени. Это реакция, при протекании которой тетрахлорида кремния и германия окисляются взаимодействием с водой путем горения гремучего газа. Внешнее осаждения стекла происходит на плотный прут, который переустановлюеться перед дальнейшей обработкой.

В случае осевого осаждения паров стекло надстраивается на конце короткого пористого ядра в виглди прута, на длину которого не влияет размер стержня является источником материала. Далее, пористая форма трансформируется в твердотельную заготовку путем нагревания температуры близкой 1800К.

Полученная таким путем заготовка устанавливается в вытяжную башню, где после нагрева ее конца до температуры плавления оптический световод получается как нить путем вытягивания. Измеряя конечный поперечный размер волокна, напряжением растяжения контролируется его толщина.


5.3. Грунтовка

Световые лучи направляются по сердцевине волокна и с помощью оболочки удерживаются там благодаря полному внутреннему отражению.

Оболочка в свою очередь основывается буфером, предохраняющим ее от влаги и физических повреждений. При покалывание или сращивание волоска зачищается именно буфер. Именно эта грунтовка на основе композита етилуретан-акрилата наносится на волокно извне в процессе вытягивания и консервируется ультрафиолетовым светом. Грунтовка предохраняет очень деликатные пряди стеклянных волокон, где-то по размеру человеческого волоса, и позволяет им пройти через суровые стадии обработки, как зондирование, заключения и монтаж.

На сегодняшний день в производстве оптоволокна грунтовки выполняется двойным наслоением. Внутренняя основная пленка предназначена для поглощения механического стресса и уменьшения затухания, вызванного микродеформации. Внешняя пленка покрывает основную и выступает барьером механических нагрузок, вызванных действием боковых сил. Иногда добавляется также металлический слой для бронирования.

Слои грунтовки оптических волокон выполняются при вытаскивании на скорости где-то около 100 километров в час. Покрытия оптоволокна возможно одним из двух методов: "мокрый-на-сухо" и "мокрый-на-мокрый". В случае "мокрый-на-сухо" световод подвергается основной обработке, а затем ультрафиолетовом консервированию и последующем прохода обработки. Во втором случае "мокрый-на-мокрый" волоски покрывается основным и вспомогательным слоем, и только после этого - ультрафиолетовом консервированию.

Оптоволоконное грунтовки выполняется в виде концентрического наслоения для предотвращения повреждения световодов при вытаскивании, а также для усиления прочности и сопротивления микродеформации сгиба. Неравномерно покрытый оптический световод подвергаться неоднородным силам расширение и сужение, а сигнал - большей угасанию. При условии соблюдения соответствующих показателей при вытягивании и грунтовке, покрытие является концентрическим вокруг волоска, непрерывно по его длине и постоянным по толщине.

Покрытия оптоволокна защищает стеклянные волоса от царапин, которые снижают упругость. Комбинация влаги и царапин ускоряет процессы старения и износа. Утомляемость волокон также характерно в условиях низких нагрузок, но в течение долгого времени. Время и экстремальные условия эксплуатации вызывают микроскопические помехи в световоде при распространении света, которые обобщенно приводят к пороку.

Три ключевые характеристики волоконного световода подвергаются воздействию посторонних факторов: упругость, затухания, устойчивость к потерям микрозгину. Покрытия оптоволокна защищает стеклянную волос от постороннего влияния, способные ухудшить показатели эксплуатации и довготривку устойчивость. Внутреннее покрытие поддерживает надежность передачи несущей и уменьшает затухание, вызванное микрозгинамы.


6. Особенности потребления

6.1. Оптоволоконные кабели

В практическом использовании оптоволокна оболочка основывается прочными смолами буферного слоя, который также может быть завернут в защитный слой. Эти слои добавляют прочности волоскам, но не влияют на оптические качества волновода. Требовательны оптоволоконные сборки де-когда включают свитлопоглинаюче стекло между отдельными прядями для предотвращения утечки света с одного канала передачи в другой. Это уменьшает взаимные помехи, и снижает вспышки в снопах волокон при передаче изображений.

Современные кабели строятся употребляя широкий ассортимент защитных слоев и обшивок, ориентированные для прокладки в канавах, высоковольтной изоляции, эксплуатации в виде линии траспортування энергии, установки в трубопроводах, монтажа на телефонных столбах и субмаринах, внедрения в асфальтированные улицы.

Кабель может быть очень гибким, однако традиционно потери увеличиваются заметно, когда оно согнуто под радиус меньший чем 30 мм. Это создает проблемы при укладке вокруг углов или намотке на катушку, усложняя последняя миля, FТТx установку. Кабели, предназначенные для монтажа в домашних или офисных условиях, были стандартизированы под кодовым обозначением ITU-T G.657. Этот тип волокна может быть изогнутым радиусом менее 7.5 мм без какого-либо эффекта. Даже гибкие волокна уже были разработаны. Изгиб кабеля также может быть устойчивым к взлому, во время которого злоумышленник шпионит, согнув волос и обнаружив утечку.

Еще одно важное свойство - устойчивость к горизонтальным деформациям. Такой срок практически обозначает предельную прочность растяжки кабеля при укладке. Где-либо оптические кабели армированные с aramid или стеклянной пряжей, как опосредованного элемента прочности. Стеклянная пряжа также защищает кабель от грызунов и термитов.


6.2. Чипкування и сращивания

Оптические кабели подключении к оконечного оборудования с помощью оптоволоконных разъемов. Такие разъемы есть стандартнмимы типами к FC, SC, ST, LC, MTRJ или SMA, спроектированные для повышенных нагрузок передачи мощности.

Оптические кабели могут быть соединены одно с другом посредством разъемов или сращения, в конечном итоге создает непрерывный оптический волновод. Приемлемым методом сращивания является дуговая сварка, которое плавит конец волокна с помощью электрической дуги. Для соединения на скорую используется механический способ.

Сращивание пайки выполняется специализированными инструментами, типично применяются следующим образом. Закивкы двух волос закрепляются внутри корпуса, который предохраняет срезы. Далее они зачищаются от защитного полимерного буфера, так же как и их обшивки. Крайняя часть волокон колется с помощью точного обрезного механизма для обеспечения перепендикулярности плоскостей среза, после чего они помещаются в специальные зажимы для непосредственно самого сращения. Соединение обычно контролируется через экран увеличенного изображения для проверки надрезов до и после процедуры. Зрощувач использует специальный малый двигатель для позиционирования закивок волокон напротив друг друга, а затем приводит электрический разряд между электродами и зазиром волокон для извлечения влаги и загрязнений. Далее, увеличивается мощность электрической дуги, повышает температуру до предела, большей точки плавления стекла, спаивая конце вместе окончательно. Позиционирование энергии разряда осторожно котролюеться, так что расплавленная сердцевина и оболочка не смешиваются ограничивая оптические потери. Потери сращения измеряются же инструментом, путем направления света через оболочку и измерения его потока с другой стороны. Как правило, показатель утечки находится где-то около 0,1 Дб. Сложность процесса соединения двух волокон кабеля делает эту технологическую процедуру значительно трудоемкишою, чем это касалось бы медных проводов.

Механическое соединение волокон предназначено для ускоренной и упрощенной установки, однако необходимость снятия обшивки волоса, деликатной очистки и точного покалывание все еще сохраняется. Закивкы волос должны быть заключены вместе с помощью специально изготовленного патрубка, очень часто применяется определенный гель, имеющий некоторый заранее известен показатель преломления. Такой гель повышает пропускную способность света через соединение. Таким соединением присущ повышенный уровень оптических потерь, и они являются менее устойчивыми по сравнению с сращением пайки особенно при использовании смол. Каждый упомянутый метод включает установку коструктивного элемента защиты соединения.

Разъемы надежно и точно удерживают конец оптоволокна, выполняя одновременно также и функцию Чипока. Такой оптоволоконный разъем фактически является жестким цилиндром окруженным патрубком, что присоединяет другой цилиндр с помощью специального гнезда. Соединяющий механизм может быть выполнен вроде "защелки", "засов-с-поворотом" (как штык) или "закрутки" (с резьбой). Типичный разъем монтируется путем подготовки закивкы волокна и вставки его с обратной стороны. Смола используется для надежного закрепления волокна, а также компенсатор растяжки подключен из зада. Как только клей застывает, закивка волокна шлифуется до зеркального финиша. Разнообразные профили полировки используются в зависимости от типа волокна и практического употребления. Для одномодового волокна закивкы обычно полируются под незначительной кривизной, что заставляет соединительные разъемы касаться только в области сердцевин волоска. Такой профиль сообщение называется полировкой физического контакта. Кривая поверхность в противном случае финишуеться под наклоном, для образования соединения углового физического контакта. Сочетание световодов таким образом повышает потери на порт свободен, но значительно уменьшает отражение, поскольку свет отражающийся от наклонных поверхностей просачивается через сердцевину волоса. Окончательная величина потери сигнала называется потерей зазора. АРС закивкы оптоволокна имеют малый показатель обратной отражение даже будучи отсоединенными.

В девяностых годах установка Чипока на оптоволокно была достаточно трудоемкой операцией. Количество конструктивных элементов на один разъем, полировка волокна, необходимость температурной обработки смол в печи для каждой закивкы затрудняла такую ​​работу. Сегодня много типов разъемов продаваемых на рынке позволяют делать это именно со значительно меньшими затратами. Некоторые очень популярные разъемы финишовани еще с производственной площадки, и включают смолу, как элемент контструкции. Эти две вещи позволяют уменьшить трудовые затраты, особенно при работе над крупными проектами.


7. Применение

Оптоволокна широко используются для освещения. Они используются как световоды в медицинских и других целях, где яркий свет необходимо доставить в труднодоступную зону. В некоторых зданиях оптоволокна используются для обозначения маршрута с крыши в какую-нибудь часть здания. Оптоволоконное освещение также используется в декоративных целях, включая коммерческую рекламу, искусство и искусственные елки.

Оптоволокно также используется для формирования изображения. Когерентный пучок, создаваемый оптоволокном, иногда используется совместно с линзами - например, в Эндоскопии, который используется для просмотра объектов через маленький отверстие.

Bobine Fibres optiques.jpg LightHair.jpg Jednomodowe wlokno swiatlowodowe.jpg Strings of lights.jpg Flashflight red.jpg Optikai sz?l l?zerrel.jpg
Катушки оптоволокна
Волос света
Нить одномодового
волокна
Пряди лучей
asdf
asdf

7.1. Оптоволоконная связь

Оптоволоконная система передачи данных состоит из трех основных компонентов: источника света, носителя, по которому распространяется световой сигнал, и приемника сигнала, или детектора. Световой импульс принимают за единицу, а отсутствие импульса - нуля. Свет распространяется в сверхтонком стеклянном волокне. При попадании на детектор света, генерируемого электрический импульс. Присоединил к одному концу оптического волокна источник света, а в другой - детектор, мы получим однонаправленного систему передачи данных.

Оптоволокно может эксплуатироваться, как среда для передачи больших объемов закодированной в свете информации на значительные расстоянии. Магисральни оптоволоконные сети связи уровня страны и города почти исключительно строятся с использованием оптоволоконных систем связи. Значительные преимущества применения для построения информационных сетей задействуются при использовании полностью оптических компьютерных сетей, связи между сегментами медных компьютерных сетей на разных этажах, домах, районах и т.д.. Внедрение оптоволоконных решений позволяет значительно увеличить длину канала связи и объем передаваемой информации по сравнению с медиа на базе металлических проводников. Исключительные свойства волоконных световодов по электромагнитной совместимости (EMC) позволяют строить линии связи при наличии значительных елетромагнитих полей, а также выступают техническим решением для построения защищенных сетей с кодированием информации.

Несмотря на то, что оптические волокна могут быть сделаны из прозрачных полимерных материалов, широкое применение получили именно волокна изготовлены из стекла. В сетях связи используются одномодовые и многомодовые световоды. Применение одномодовых оптоволокон, передатчиков, приемников и соединительных компонентов обычно стоят дороже, чем на базе мультимодових компонентов вследствие их технологических особенностей изготовления, сферы их практического использования, и маркетингового позиционирования.


7.2. Оптоволоконный датчик

Оптоволокно может быть использовано как датчик для измерения напряжения, температуры, давления и других параметров. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии, дает оптоволоконным датчиком преимущество перед традиционными электрическими в определенных областях.

Оптоволокно используется в гидрофонов в сейсмических или гидролокационных приборах. Созданы системы с гидрофонов, в которых на волоконный кабель приходится более 100 датчиков. Системы с гидрофоновим датчиком используются в нефтедобывающей промышленности, а также флотом некоторых стран. Немецкая компания Sennheiser разработала лазерный микроскоп, работающий с лазером и оптоволокном [18].

Оптоволоконные датчики, измеряющие температуры и давления, разработаны для измерений в нефтяных скважинах. Оптоволоконные датчики хорошо подходят для такой среды, работая при температурах, слишком высоких для полупроводниковых датчиков (оптоволоконный измерения температуры).

Другое применение оптоволокна - как датчик в лазерном гироскопе, который используется в Boeing 767 и в некоторых моделях машин (для навигации).

Оптоволокно применяется в охранной сигнализации на особо важных объектах (например ядерное оружие) [ ]. Когда злоумышленник пытается переместить боеголовку, условия прохождения света через световод изменяются, и срабатывает сигнализация.


Примечания

  1. "" Optical fiber "". WIKIPEDIA. 18 июня 2010 . http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_fiber . Проверено 25 июня 2010 .
  2. а б Bates, Regis J Optical Switching and Networking Handbook. - New York: McGraw-Hill, 2001. ISBN 007137356X.
  3. Tyndall, John "Total Reflexion", Notes about Light - www.archive.org/details/notesofcourseofn00tyndrich, 1870.
  4. Tyndall, John (1873). "Six Lectures on Light" - www.archive.org/details/sixlecturesonlig00tynduoft . http://www.archive.org/details/sixlecturesonlig00tynduoft - www.archive.org/details/sixlecturesonlig00tynduoft .
  5. "Terahertz wave generation and light amplification using Raman effect", Physics of semiconductor devices - books.google.com / books? id = 2NTpSnfhResC & pg = PA27 & lpg = PA27 & dq = Jun-ichi Nishizawa proposal on use of optical - New Delhi, India: Narosa Publishing House, 2004. ISBN 8173195676.
  6. "New Medal Honors Japanese Microelectrics Industry Leader" - of Electrical and Electronics Engineers .
  7. "Optical Fiber" - www.city.sendai.jp/soumu/kouhou/s-new-e6/page01.html. Sendai New . http://www.city.sendai.jp/soumu/kouhou/s-new-e6/page01.html - www.city.sendai.jp/soumu/kouhou/s-new-e6/page01.html . Проверено April 5, 2009 .
  8. Hecht, Jeff City Of Light, The Story of Fiber Optics - books.google.com / books? id = 4oMu7RbGpqUC & pg = PA114. - New York: Oxford University Press, 1999. ISBN 0195108183.
  9. "Press Release - Nobel Prize in Physics 2009" - nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2009/press.html. The Nobel Foundation . http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2009/press.html - nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2009/press.html . Проверено 2009-10-07 .
  10. "1971-1985 Continuing the Tradition" - www.ge.com / innovation / timeline / index.html. GE Innovation Timeline. General Electric Company . http://www.ge.com/innovation/timeline/index.html - www.ge.com / innovation / timeline / index.html . Проверено 2008-10-22 .
  11. US Patent 3966300 - www.google.com/patents?q=3966300 "Light conducting fibers of quartz glass"
  12. Russell, Philip Photonic Crystal Fibers / / Science. - Т. 299. - (2003) (5605) С. 358. DOI : 10.1126/science.1079280 - dx.doi.org/10.1126/science.1079280. PMID 12532007 - www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12532007 .
  13. "The History of Crystal fiber A / S" - www.crystal-fiber.com/. Crystal Fiber A / S . http://www.crystal-fiber.com/ - www.crystal-fiber.com/ . Проверено 2008-10-22 .
  14. "" Optical fiber "". WIKIPEDIA. 18 июня 2010 . http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_fiber . Проверено 13 июля 2010 .
  15. "Пункт № 3.4" Optical fiber "". WIKIPEDIA. 12 августа 2010 . http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_fiber . Проверено 12 августа 2010 .
  16. "Пункт № 3.3" Optical fiber "". WIKIPEDIA. 3 октября 2010 . http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_fiber . Проверено 4 октября 2010 .
  17. "" Optical fiber "". WIKIPEDIA. 28 января 2011 . http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_fiber . Проверено 23 января 2011 .
  18. "Tp: Der Glasfaser-schallwandler" - www.heise.de/tp/r4/artikel/19/19822/1.html . http://www.heise.de/tp/r4/artikel/19/19822/1.html - www.heise.de/tp/r4/artikel/19/19822/1.html . Проверено december апреля 2005 .

См.. также