Пучок оптичних волокон
Оптичне волокно - нитка з оптично прозорого матеріалу (скло, пластик), яка використовується для перенесення світла усередині себе за допомогою повного внутрішнього відображення.
Волоконна оптика - розділ прикладної науки і машинобудування, що описує такі волокна. Кабелі на базі оптичних волокон використовуються в волоконно-оптичного зв'язку. що дозволяє передавати інформацію на великі відстані з більш високою швидкістю передачі даних, ніж в електронних засобах зв'язку [1]. У ряді випадків вони також використовуються при створенні датчиків.
Принцип передачі світла, що використовується в волоконної оптики, був вперше продемонстрований в XIX столітті, але повсюдне застосування було ускладнене відсутністю відповідних технологій.
Повсюдного переходу на технології ВОЛЗ заважали високі загасання в оптичному волокні, тому конкуренція з мідними лініями була неможлива. Тільки до 1970 р компанії Corning (англ.) Вдалося налагодити комерційне виробництво волокна з низьким загасанням - до 17 дБ / км. через пару років - до 4 дБ / км. Волокно було багатомодовим і по ньому передавалося кілька мод світла. До 1983 року був освоєний випуск одномодових волокон, за якими передавалася одна мода.
У Росії перші волоконно-оптичні лінії з'явилися в Москві. Першого підводного ВОЛЗ стала магістраль Санкт-Петербург - Аберслунд (Данія), прокладена АТ «Совтелеком» (нині ПАТ «Ростелеком» [3]).
Скляні оптичні волокна робляться з кварцового скла. але для далекого інфрачервоного діапазону можуть використовуватися інші матеріали, такі як фторцірконата, фторалюминат і халькогенідні скла. Як і інші скла, ці мають показник заломлення близько 1,5.
В даний час розвивається застосування пластикових оптичних волокон. Сердечник в такому волокні виготовляють з поліметилметакрилату (PMMA), а оболонку з фторованих PMMA (фторполімерів).
Оптичне волокно, як правило, має круглий перетин і складається з двох частин - серцевини і оболонки. Для забезпечення повного внутрішнього відображення абсолютний показник заломлення серцевини трохи вище показника заломлення оболонки. Серцевина виготовляється з чистого матеріалу (скла або пластика) і має діаметр 9 мкм (для одномодового волокна), 50 або 62,5 мкм (для багатомодового волокна). Оболонка має діаметр 125 мкм і складається з матеріалу з легуючими добавками, що змінюють показник заломлення. Наприклад, якщо показник заломлення оболонки дорівнює 1,474, то показник заломлення серцевини - 1,479. Промінь світла, спрямований в серцевину, буде поширюватися по ній, багаторазово відбиваючись від оболонки.
Можливі й більш складні конструкції: як серцевини і оболонки можуть застосовуватися двовимірні фотонні кристали. замість ступеневої зміни показника заломлення часто використовуються волокна з градієнтним профілем показника заломлення, форма серцевини може відрізнятися від циліндричної. Такі конструкції забезпечують волокнам спеціальні властивості: утримання поляризації світла, що поширюється, зниження втрат, зміна дисперсії волокна та ін.
Оптичні волокна, що використовуються в телекомунікаціях, як правило, мають діаметр 125 ± 1 мікрон. Діаметр серцевини може відрізнятися в залежності від типу волокна і національних стандартів.
Профіль показника заломлення різних типів оптичних волокон:
зліва вгорі - одномодове волокно;
зліва внизу - многомодовое ступеневу волокно;
праворуч - градиентное волокно з параболічним профілем
Оптичні волокна можуть бути одномодовими і багатомодовими. Діаметр серцевини одномодових волокон становить від 7 до 10 мікрон. Завдяки малому діаметру серцевини оптичне випромінювання поширюється по волокну в одній (основний, фундаментальної) моді і, як результат, відсутня межмодовая дисперсія.
Існує три основних типи одномодових волокон:
- одномодовое ступеневу волокно з несмещённой дисперсією (стандартне) (SMF або SM, англ. step index s ingle m ode f iber), визначається рекомендацією ITU-T G.652 і застосовується в більшості оптичних систем зв'язку;
- одномодове волокно зі зміщеною дисперсією (DSF або DS, англ. d ispersion shifted s ingle mode f iber), визначається рекомендацією ITU-T G.653. У волокнах DSF за допомогою домішок область нульової дисперсії зміщена в третє вікно прозорості. в якому спостерігається мінімальне загасання;
- одномодове волокно з ненульовою зміщеною дисперсією (NZDSF, NZDS або NZ, англ. n on-z ero d ispersion shifted s ingle mode f iber), визначається рекомендацією ITU-T G.655.
Багатомодові волокна відрізняються від одномодових діаметром серцевини, який становить 50 мікрон в європейському стандарті і 62.5 мікрон в північноамериканському і японському стандартах. Через великого діаметру серцевини по многомодовому волокну поширюється кілька мод випромінювання - кожна під своїм кутом, через що імпульс світла відчуває дисперсійні спотворення і з прямокутного перетворюється в дзвоноподібні.
Багатомодові волокна поділяються на ступінчасті і градієнтні. У східчастих волокнах показник заломлення від оболонки до серцевини змінюється стрибкоподібно. В градієнтних волокнах це зміна відбувається інакше - показник заломлення серцевини плавно зростає від краю до центру. Це призводить до явища рефракції в серцевині, завдяки чому знижується вплив дисперсії на спотворення оптичного імпульсу. Профіль показника заломлення градиентного волокна може бути параболічних. трикутним. ламаним і т. д.
Полімерні (пластикові) волокна виробляють діаметром 50, 62.5, 120 і 980 мікрометрів і оболонкою діаметром 490 і 1000 мкм.
Найбільші виробники оптичних волокон [джерело не вказано 988 днів]:
У Росії оптичні волокна випускаються на підприємстві «оптиковолоконною Системи» [5]
Волоконно-оптична зв'язок
Волоконно-оптичний датчик
Оптичне волокно може бути використано як датчик для вимірювання напруги, температури, тиску та інших параметрів. Малий розмір і фактична відсутність необхідності в електричної енергії дають волоконно-оптичним датчикам перевага перед традиційними електричними в певних областях.
Оптичне волокно використовується в гідрофонах в сейсмічних або гідролокаційних приладах. Створені системи з гідрофонами, в яких на волоконний кабель припадає понад 100 датчиків. Системи з гідрофоновим датчиком використовуються в нафтовидобувній промисловості, а також флотом деяких країн. Німецька компанія Sennheiser розробила лазерний мікрофон, основними елементами якого є лазерний випромінювач, що відображає мембрана і оптичне волокно [11].
Волоконно-оптичні датчики, які вимірюють температури і тиску, розроблені для вимірювань в нафтових свердловинах. Вони добре підходять для такого середовища, працюючи при температурах, занадто високих для напівпровідникових датчиків.
З використанням полімерних оптичних волокон створюються нові хімічні датчики (сенсори), які знайшли широке застосування в екології, наприклад, для детектування амонію у водних середовищах [12].
Розроблено пристрої дугового захисту з волоконно-оптичними датчиками, основними перевагами яких перед традиційними пристроями дугового захисту є: висока швидкодія, нечутливість до електромагнітних завад, гнучкість і легкість монтажу, діелектричні властивості.
Оптичне волокно застосовується в лазерному гіроскопі. використовуваному в Boeing 767 [джерело не вказано тисячу чотиреста тридцять дві дня] і в деяких моделях машин (для навігації). Волоконно-оптичні гіроскопи застосовуються в космічних кораблях «Союз» [13]. Спеціальні оптичні волокна використовуються в інтерферометричний датчиках магнітного поля і електричного струму. Це волокна, отримані при обертанні заготовки з сильним вбудованим подвійне променезаломлення.
Інші застосування оптичного волокна
Диск фрісбі. освітлений оптичним волокном
Оптичне волокно використовується при конструюванні волоконного лазера.