Светлинно ръководство Уикипедия

Оптично влакно- нишка от оптически прозрачен материал (стъкло, пластмаса), използвана за предаване на светлина вътре в себе си чрез пълно вътрешно отражение.

Фиброоптиката е клон на приложната наука и инженерството, който описва такива влакна. В оптичната комуникация се използват кабели, базирани на оптични влакна (фиброоптичен кабел), което позволява предаване на информация на по-големи разстояния при по-висока скорост на трансфер на данни, отколкото при електронните комуникации [1] . В някои случаи те се използват и за създаване на сензори.

Съдържание

Принципът на предаване на светлина, използван в оптичните влакна, е демонстриран за първи път през 19 век, но широкото му приложение е възпрепятствано от липсата на подходяща технология.

Високото затихване в оптичните влакна предотврати широко разпространения преход към технологията на оптичните влакна, така че конкуренцията с медни линии беше невъзможна. Едва през 1970 г. Corning успя да комерсиализира влакна с ниско затихване - до 17 dB/km, няколко години по-късно - до 4 dB/km. Влакното беше многомодово и по него се предаваха няколко вида светлина. До 1983 г. е усвоено производството на едномодови влакна, чрез които се предава един режим.

В България първите оптични линии се появяват в Москва. Първата подводна FOCL беше линията Санкт Петербург-Аберслунд (Дания), положена от JSC Sovtelecom (сега PJSC Rostelecom [3] ).

През 2018 г. изследователи от NICT Network System Research Institute и Fujikura Ltd, чиито специалисти разработиха нов тип трирежимно (триканално) оптично влакно, проведоха експеримент, по време на който беше постигната скорост на трансфер на информация от 159 терабита в секунда.разстояние 1045 километра. При нормални условия закъсненията в многомодовото влакно затрудняват едновременното получаване на високи скорости на предаване и извършване на предаване на дълги разстояния. И това постижение е своеобразна демонстрация на нов метод за преодоляване на ограниченията [4] .

Стъклените оптични влакна са направени от кварцово стъкло, но други материали като флуороцирконат, флуороалуминат и халкогенидни стъкла могат да се използват за далечния инфрачервен диапазон. Подобно на други стъкла, тези имат индекс на пречупване около 1,5.

В момента се разработва използването на пластмасови оптични влакна. Сърцевината в такова влакно е направена от полиметилметакрилат (PMMA), а обвивката е направена от флуориран PMMA (флуорополимери).

Дизайн

Оптичното влакно, като правило, има кръгло напречно сечение и се състои от две части - сърцевина и обвивка. За да се осигури пълно вътрешно отражение, абсолютният индекс на пречупване на сърцевината е малко по-висок от този на обвивката. Сърцевината е изработена от чист материал (стъкло или пластмаса) и има диаметър 9 µm (за едномодово влакно), 50 или 62,5 µm (за многомодово влакно). Обвивката е с диаметър 125 µm и се състои от материал с добавки, които променят индекса на пречупване. Например, ако индексът на пречупване на обвивката е 1,474, тогава индексът на пречупване на сърцевината е 1,479. Светлинен лъч, насочен в ядрото, ще се разпространява по него, отразявайки се многократно от черупката.

Възможни са и по-сложни конструкции: двумерни фотонни кристали могат да се използват като сърцевина и обвивка, вместо стъпаловидна промяна в индекса на пречупване, често се използват влакна с градиентен профил на индекса на пречупване, форматасърцевината може да се различава от цилиндрична. Такива дизайни осигуряват на влакната специални свойства: поддържане на поляризацията на разпространяващата се светлина, намаляване на загубите, промяна на дисперсията на влакната и др.

Оптичните влакна, използвани в телекомуникациите, обикновено имат диаметър 125±1 микрона. Диаметърът на сърцевината може да варира в зависимост от типа влакно и националните стандарти.

Класификация

Оптичните влакна могат да бъдат едномодови или многомодови. Диаметърът на сърцевината на едномодовите влакна е от 7 до 10 микрона. Поради малкия диаметър на сърцевината, оптичното лъчение се разпространява през влакното в един (основен) режим и в резултат на това няма междумодова дисперсия.

Има три основни типа едномодови влакна:

едномодово стъпаловидно влакно с неизместена дисперсия (стандартно) (SMF или SM, английски индекс на стъпкаssinglemodefiber ), се определя от препоръката на ITU-T G.652 и се използва в повечето оптични комуникационни системи;
едномодово влакно с изместена дисперсия (DSF или DS,dispersion shiftedssingle modefiber ), определено от ITU-T G.653 В DSF влакната, с помощта на примеси, областта на нулева дисперсия се измества към третия прозорец на прозрачност, в който се наблюдава минималното затихване;
едномодово влакно с изместена ненулева дисперсия (NZDSF, NZDS или NZ,non-zerodispersion shiftedssingle modefiber ), определено от ITU-T G.655

Многомодовите влакна се различават от едномодовите влакна по диаметъра на сърцевината си, който е 50 микрона в европейския стандарт и 62,5 микрона в северноамериканския и японския стандарт. Поради големия диаметърНяколко режима на излъчване се разпространяват по сърцевината на многомодовото влакно - всеки под свой ъгъл, поради което светлинният импулс изпитва дисперсионни изкривявания и се превръща от правоъгълен в камбановиден.

Многомодовите влакна се делят на стъпаловидни и градиентни влакна. При стъпаловидни влакна индексът на пречупване се променя стъпаловидно от обвивката към сърцевината. В градиентните влакна тази промяна се случва по различен начин - индексът на пречупване на сърцевината се увеличава плавно от ръба към центъра. Това води до феномена на пречупване в сърцевината, като по този начин намалява ефекта на дисперсията върху изкривяването на оптичния импулс. Профилът на индекса на пречупване на класифицираното влакно може да бъде параболичен, триъгълен, начупен и др.

Произвеждат се полимерни (пластмасови) влакна с диаметър 50, 62,5, 120 и 980 микрона и обвивка с диаметър 490 и 1000 микрона.

Приложение

Оптична комуникация

Оптичните влакна се използват главно като преносна среда във влакнесто-оптични телекомуникационни мрежи от различни нива: от междуконтинентални гръбначни мрежи до домашни компютърни мрежи. Използването на оптични влакна за комуникационни линии се дължи на факта, че оптичните влакна осигуряват висока сигурност срещу неоторизиран достъп, ниско затихване на сигнала при предаване на информация на дълги разстояния, възможност за работа с изключително високи скорости на предаване и пропускателна способност, въпреки че скоростта на светлината във влакната е с 30% по-ниска от тази в медните проводници и с 40% по-ниска от скоростта на радиовълните. [5] Още през 2006 г. е постигната честота на модулация от 111 GHz [6] [7], докато скоростите от 10 и 40 Gbit / s вече са станали стандартни скорости на предаване през един канал от оптично влакно. При коетовсяко влакно, използващо WDM технология, може да предава до няколкостотин канала едновременно, осигурявайки обща скорост на трансфер на информация от терабита в секунда. Така до 2008 г. е постигната скорост от 10,72 Tbps [8], а до 2012 г. - 20 Tbps [9] . Последният рекорд за скорост е 255 Tbps [10] .

От 2017 г. експертите говорят за достигане на практическия лимит на съществуващите оптични комуникационни технологии и необходимостта от фундаментални промени в индустрията. [единадесет]

фиброоптичен сензор

Оптичното влакно може да се използва като сензор за измерване на напрежение, температура, налягане и други параметри. Малкият размер и практически отсъствието на нужда от електрическа енергия дават на оптичните сензори предимство пред традиционните електрически сензори в определени области.

Оптичното влакно се използва в хидрофони в сеизмични или сонарни инструменти. Разработени са хидрофонни системи с повече от 100 сензора на оптичен кабел. Хидрофонните сензорни системи се използват в петролната индустрия, както и от флота на някои страни. Германската компания Sennheiser разработи лазерен микрофон, чиито основни елементи са лазерен излъчвател, отразяваща мембрана и оптично влакно [12] .

Оптични сензори, измерващи температури и налягания, са предназначени за измервания в нефтени кладенци. Те са много подходящи за тази среда, работещи при температури, твърде високи за твърдотелни сензори.

С използването на полимерни оптични влакна се създават нови химически сензори (сензори), които се използват широко в екологията, например за откриване на амоний във водни среди [13] .

Разработени са устройства за дъгова защита с фиброоптични сензори, чиито основни предимства пред традиционните устройства за дъгова защита са: висока скорост, нечувствителност към електромагнитни смущения, гъвкавост и лекота на инсталиране, диелектрични свойства.

Оптичното влакно се използва в лазерния жироскоп, използван в Boeing 767 [неуточнен източник 2138 дни] и някои модели автомобили (за навигация). Фиброоптични жироскопи се използват в космически кораби Союз [14] . Специални оптични влакна се използват в интерферометрични сензори за магнитно поле и електрически ток. Това са влакна, получени чрез въртене на заготовка със силно вградено двойно пречупване.

Други употреби

Оптичните влакна се използват широко за осветление. Те се използват като световоди в медицински и други приложения, където ярката светлина трябва да бъде доставена до труднодостъпна зона. В някои сгради оптичните влакна насочват слънчевата светлина от покрива към част от сградата. Също така в автомобилното осветление (индикация на таблото).

Оптичното влакно се използва при конструирането на фибролазер.