Оптоволокно

Жмут оптичних волосків

Оптоволокно́ або оптичне волокно — це скляна або пластикова нитка, що використовується для перенесення світла усередині себе завдяки повному внутрішньому віддзеркаленню. Волоконна оптика — розділ прикладної науки і машинобудування, що описує такі волокна. Оптоволокна використовуються в оптоволоконному зв'язку, який дозволяє передавати цифрову інформацію на великі відстані і з вищою швидкістю передачі даних, ніж в електронних засобах зв'язку. У ряді випадків вони також використовуються при створенні давачів .

Простий принцип дії дозволяє використовувати різні методи, що дають можливість створювати найрізноманітніші оптоволокна:

• Одномодові оптоволокна
• Багатомодові оптоволокна
• Оптоволокна з градієнтним показником заломлення
• Оптоволокна із ступінчастим профілем розподілу показників заломлення.

Відповідно до фізичних властивостей оптоволокна необхідні спеціальні методи для їх з'єднання з устаткуванням. Оптоволокна є базою для різних типів кабелів, залежно від того, де вони використовуватимуться.

Принцип передачі світла усередині оптоволокна був вперше продемонстрований за часів королеви Вікторії (1837—1901), але розвиток сучасних оптоволокон почався в 1950-их. Їх почали використовувати в зв'язку дещо пізніше, в 1970-их; з цього часу технічний прогрес значно збільшив діапазон застосування і швидкість поширення оптоволокон, а також зменшив вартість систем оптоволоконного зв'язку.

Історія

Жан Даніель Колладон вперше описав «світловий фонтан» чи «світлову люльку» у статті в 1842 році під заголовком «Щодо віддзеркалення променів у середені параболічного потоку рідини». Ця популярна ілюстрація походить із пізнішого допису від Колладона у 1884 році.

На сьогоднішній день волоконна оптика використовуюється дуже інтенсивно у сучасному світі, та є достатньо простою і досконалою технологією. Провадження світла вздовж тонкої силиконової волосини згідно закону заломлення, що вперше продемострував Даніель Колладон та Джакіз Бабінет на початку 1840-их років у Парижі, робить дану галузь індустрії можливою.

Джон Тиндел ввів показові демонстрації у свої громадські лекції у Лондоні десяток років пізніше. Тиндел також писав про властивості цілковитого внутрішнього віддзеркалення у своїй ознайомчій роботі про природу світла в 1870 році:

Коли світло проходить у напрямку із повітря у воду, то заломлений промінь зміщується у сторону перпендикуляра... У випадку коли кут утворений променем у воді та перпендикуляром до поверхні є більший 48 градусів, то світловий промінь не покине середовище води взагалі: він буде повністю заломлений на лінії розділу двох середовищ. Кут, що обмежує границю цілковитого внутрішнього віддзеркалення, називається кутом повного внутрішнього відбиття середовища. Для води він становть 48°27'., для флінтового скла —- 38°41', а для алмазу —- 23°42'

Практичні застосування, такі як прицільне внутрішнє освітлення під час стоматологічних процедур, появилися на початку ХХ століття. Передача зображень по трубках була продемострована незалежно радіоекспериментатором Кларенс Ханселом та телевізійним першепроходцем Джоном Логі Бейрдом у 1920 роках. Цей ефект вперше був застосований для внутрішнього медичного обстеження Гайнріком Ламмом на протязі наступної декади. У 1952 році фізик Нерайндер Сайнг Капані провів експеремент, що призвів до винаходу оптичного волоска. Сучасне оптоволокно, де скляна волосина поміщена у прозору оболонку із метою приведення коефіцієнту відбиття до практичного рівня використання, появивилося на світ пізніше. Після цього всі розробки сконцентрувалися на жмутах оптичних волосків пристосованих для передачі зображення. Перший оптичний напівгнучкий гастроскоп був запатентований у 1956 році Безілем Айзек Хиршовицим, Сі Уілбер Пітерзом, та Лоренцом І Куртізом, які були дослідниками Університету Мічігану. У процесі розробки гастроскопу, Куртіз застосував скляний волосок в оболонці впреше. Перші зразки оптоволокна покладалися на повітря та непрактичні олії і віск, як оболонку із низьким показником заломлення. Ціла низка інших застосувань по передачі зображень появилися незабаром.

Використання оптоволокна для телекомунікаційних цілей було впреше винайдено у Західній Європі на прикінці 19-ого та на початку 20-ого століття, на зразок діагностики лікарем шлунку пацієнта та зв'язку у межах короткого радіусу. Особливо примітно, що передача забражень оптоволосками набула популярності на початку 21 століття по причині збільшення попиту у медичній та телевізіній галузях.

Також гомонілося, що японський вчений від Тохоку Університету Юн-ічі Нішазава запропонував вжиток оптичного волокна у сфері зв' язку ще у 1963 році, як відзначалося у книжці надрукованій 2004 року в Індії. Нішазава винайшов інші технології, що сприяли вдосконаленню оптоволоконих комунікацій у більшій степені. Він пізніше відкрив оптичні градієнтні волоски, як канал передачі світла від напівпровідникового лазера.

Вирішальний момент стався десь 1965 року, коли Чарльз К. Коу та Джордж А. Гокхем від британської компанії Стандарт Телефонс енд Кейблс вперше просунули ідею зменшення затухання в оптоволокні до показника нижчого від 20 dBでしべる/km, таким чином ввівши оптичні кабелі у зону практичного застосування як телекомунікаційних мідіа. Вони стверджували, що затухання швидше спричнинялося домішками, здатними бути вилученеми у волокні доступному в цей час, аніж фундаментальним фізичним законом розсіювання. Вони правильно та послідовно теоритизували про зміну властивостей світла у середовищі оптичного волоска, та підсказали вірні матеріали для його виробництва —- кварцове скло із високим показником чистоти. Це відкриття привело Коу до отримання Нобелівської Премії в області фізики у 2009 році.

Принциповий рівень затухання у 20 dBでしべる/km був досягнутий вперше в 1970 році дослідниками Робертом Д. Морером, Дональдом Кеком, Пітером С. Шульцом, та Франком Зімаром, що працювали в американській скловарні Корнік Глес Уорк. Тепер це підприємство називається Корнік Інкорпорейтед. Вони продемострували волосок із рівнем затухання у 17 dB/km, у якому кварцове скло утримувало домішки титану. Де-кількома роками поспіль вони створили оптоволокно з рівнем затухання у 4 dB/km, використовуючи діоксид германію за основу домішки. Настільки низьке затухання придало імпульсу телекомунікаціям із використанням оптичного волокна, та зробило Інтернет доступним. У 1981 році Дженерал Електрик випустив сплавлнеий злиток кварцу, що був здатним витягнутися у нитку довжиною 40 km.

Затухання у сучасному оптоволоконому кабелі значно менше ніж у мідному електричному, що спонукнуло розвиток ліній телекомунікаційних передач довжиною 70-150 км. Оптоволоконий підсилювач із домішками ербіуму, який зменшив вартість оптоволоконих систем великої довжини шляхом зменшення або, навіть дуже часто, цілковитого вилучення із схеми оптико-електронних повторювачів, був розроблений Девідом Н. Пейном із Університету Саусхамтона та Емануелем Дезервіром із Бел Лабс у 1986 році. Чим більше досконале волокно експлуатується повсякчас із використанням скла для серцевини та оболонки, тим стійкіше воно до процесів старіння. А винайшов його Герхард Берніз у 1973 році, що був задіяний німецьким підприємством Скот Глес.

У 1991 році із перспективного щойно проявившогося технологічного напрямку фотонних кристалів, було започатковано розробку одноіменних волосків, що проводили світло завдяки дифракційним явищам на періодичній структурі матеріалу швидше, ніж шляхом повного внутрішнього відбиття. Перше фотонне кристалічне волокно стало комерційно доступним у 2000 році . Таке оптоволокно є більш потужним ніж звичайне, та його світлопровідні частотні властивості можуть бути контрольовані за потребою із метою покращення ефективності певних застосувань.

Принцип роботи оптичного волокна

Структура

Структура типового одномодового волокна.
1. Серцевина: 8 µm діаметр
2. Оболонка: 125 µm діаметр
3. Буфер: 250 µm діаметр
4. Jacket: 400 µm діаметр

Оптичний волосок - це циліндричний діелектричний хвилевід, що передає світло від одного до другого кінця усієї своєї довжини завдяки фізичному явищу повного внутрішнього відбиття. Волосок складається із серцевинного та оболонкового шару, які виготовленні із матеріалів, що забезпечуютья утримування світла всередині кабелю. Для забезпечення функціюнування даної системи діелектриків, необхідно мати коефіцієнт заломлення серцевини більший, аніж оболонки. А також, границя двох середовищ може бути обривчастою, як у ступеньчастих волокон, чи зглаженою, як у градєнтих волокон.

Структура оптоволоконного кабелю дуже проста й схожа на структуру коаксіального електричного кабелю. Проте, замість мідної серцевини тут використовується тонке скловолокно, а замість внутрішньої ізоляції —- скляна або пластикова оболонка, що не дозволяє світлу виходити за межі зборки. У цьому випадку мова йде про режим так званого повного внутрішнього відбиття світла від границі двох речовин із різними коефіцієнтами заломлення (у скляної оболонки коефіцієнт заломлення значно нижче, ніж у центрального волокна).

Вплив коефіцієнту заломлення

Коефіцієнт заломлення — це величина співвідношення швидкостей світла у вакуумі та матеріалі, до якого належить даний коефіцієнт. Промінь світла подорожує у вільному просторі найшвидше за все із показником 300000 км/сек, а у діелектрику — повільніше. Це залежить від властивостей матеріалу. Тому показник заломлення для складових оптоволокна завжди більший одиниці. Типове значення коефіцієнту заломлення для оболонки складає 1.46, а для серцевини — 1.48. Чим більше заломлення - тим повільніше промінь подорожує у мідіумі. Із вищезгаданого очевидно, що оптичний комунікаційний сигнал буде проходити приблизно 200 000 км/сек. Або якщо сформулювати по-іншому, подорожуючи 1000 кілометрів, сигналу необхідно витратити 5 мсек на розповсюдження.

Щодо повного внутрішнього відбиття

Коли промінь що подорожує у густому мідіумі натикається на перешкоду під стрімким кутом (більшим ніж критичний для даного матеріалу), то світло буде повністю віддзеркалене. Цей ефект використовується в оптичному волокні для утримування світлового випромінення у межах його серцевини. Воно просуваєтья вздовж волоска, видбиваючись вперед та назад від границі розділу двох складових кабелю. По причині того, що промінь повинен вдарити межу розділу під певним нахилом, що є більшим за критичний кут, то тільки світло, яке увійшло у систему у межах певного діапазону напрямків, може пройти через все волокно без просочування за його межі. Вказаний діапазон напрямків називається конусом отримування волокна. Розмір конусу отримування є функцією різниці індексів заломлення матеріалів серцевини та оболонки оптичної волосини.

Іншими словами, існує максимальний кут відносно осі оптоволокна під яким світловий промінь може увійти у середовище кабелю, та просунутися вздовж його серцевини. Синус максимуму цього кута є цифровою апертурою (NA) волокна. Волокно із великим NA не потребує високої точності його зрощування, та може може функціюнувати із іншим волокном, що має малий NA. Одномодові оптичні волоски мають незначний NA.

Типи оптоволокна

Одномодове волокно

Пропагація світлових променів через одномодові оптичні волоски.

Оптичні волоски із діаметром серцевини розміром приблизно одної десятої довжини несучої світлової хвилі, не можуть бути змодельованими використовуючи теорію геометричної оптики. Натомість, вся структура має бути розглянута із точки зору класичної електродинаміки, застосовуючи формули Максвела, що приведені до розвязку рівняння розповсюдження електромагнітних коливань. Також, такі фізичні явища як спекли, що виникають за рахунок пропагації когерентного випромінення у багатомодових волокнах, теж мають бути обгрунтовані як наслідок теорії Максвела. Назразок оптичного хвилевода, волосок підтримує один чи де-кілька локалізованих поперечних режимів, у границях яких світло просувається вздовж. Волокно, що працює тільки в одному режимі, називається одномодовим, чи мономодовим. Поведінка оптичних волосків із значним розміром серцевини теж може бути змодельована за допомогою хвильових рівнянь, що у результаті демонструє їх здатність до пропускання світла у кількох режимах, або модах. Звідси походить і назва типів оптоволокна. Коли серецевина волоска достатньо велика для забезпечення пропагації світлових променів у кількох модах, то математичні розрахунки згідно теорій Максвела і геометричної оптики приблизно співпадають.

Аналіз хвилевода показує, що промениста енергія у волокні не повністю зосередженна у межах серцевини. Натомість, найбільш характерним для одномодових світловодів, значна її порція подорожує у привязаній моді у середовищі оболонки як еванесцентна хвиля.

Найбільш розповсюджений тип одномодового волокна має діаметер серцевини 8-10 мікрометрів та спроектований для використання світла близького до інфрачервоного діапазону спектру. Структура моди залежить від довжини хвилі світла, яке задіяне у процесі роботи, таким чином волосок фактично підтримує незначну кількість додаткових мод у видимій частині спектру світла. Багатомодове оптоволокно, для порівняння, виготовленно із діаметром центральної жили поперечного розміру що найменьше ніж 50 мікрометрів, та що найбільше сотні мікрометрів. Нормалізована частота V для волоска має бути не більше ніж нульовий член степеневого ряду функції Бесселя J₀ (приблизно 2.405)

Багатомодове волокно

Пропагація світлових променів через багатомодові оптичні волоски.

Оптичне волокно із великим діаметром серцевини (більше 10 мікрон) може бути розраховане за допомогою методів геометричної оптики. Таке волокно називається багатомодовим. Ступеньчате багатомодовое волокно провадить промені світла вздовж серецевини завдяки ефекту повного внутрішнього віддзеркалення. Промені, що падають на межу розділу компонентів волоска під стрімким кутом, більшим ніж кут повного внутрішнього відбиття, зазнають цілковитого дзеркального відображення. Промені що стикаються із границею під малим кутом заломлюються у напрямку від серцевини до оболонки, а далі поглинаються і не передають інформацію. Значна цифрова апертура робить можливим світлу пропагуватися впродовж волокна завдяки променям, що розташовані близько до осі, а також під різноманітними кутами, дозволяючи ефективне компонування пучка випромінення у світловоді. Проте попривсе, ця цифрова апертура збільшує дисперсію, оскільки промені що подорожують під різними кутами проходять відрізки шляху різної довжини. Це у кінцевому результаті впливає на кількість часу необхідного для перетину загальної заданої довжини кабелю.

Градієнтне волокно

Пропагація світлових променів через градієнтні оптичні волоски.

У градієнтному волокні коефіцієнт заломлення у серцевині зменьшується поступово від осі до зовнішньої стінки світловода. Це змушує промені світла вигинатися дугою при наблишенні до оболонки, навідміну від несподіванного віддзеркалення на межі розділу компонентів волоска. Як наслідок, дугоподібний шлях просування зменшує багатовекторну дисперсію розповсюдження, тому що промені під значними кутами проходять через ділянку серцевини із малим показником заломлення швидше, ніж під великим. Профіль градієнту заломлення вибирається так, щоб мінімізувати різницю між продовжною швидкість пропагації променів різної векторної направленності у волокні. Ідеальний профіль градієнту заломлення є дуже близький до параболічного при співвідношенні самої величини та відстанні до осі.

Застосування

Оптоволоконний зв'язок

Оптоволокно може бути використане, як середовище для передачі великих обсягів закодованої у світлі інформації на значні відстанні. Магістральні мережі рівня країна, місто майже виключно будуються з використанням оптоволоконних систем зв'язку. Значні переваги використання оптоволоконного зв'язку для побудови інформаційних мереж використовуються при створенні: повністю оптичних комп'ютерних мереж, зв'язку між сегментами мідних комп'ютерних мереж на різних поверхах, у різних будинках, районах, тощо. Використання оптоволоконних рішень дозволяє значно збільшити довжину каналу зв'язку та обсяг переданої інформації у порівнянні з мідним середовищем передачі інформації. Виняткові властивості оптоволокон по електромагнітній сумісності (EMC) дозволяють будувати канали зв'язку у важкому елетромагнітному оточенні, та виступають технічним засобом для побудування захищенних мереж з таємною інформацією. Незважаючи на те, що оптичні волокна можуть бути зроблені з прозорих полімерних матеріалів, широкого застосування набули оптоволокна виготовлені саме зі скла. У мережах зв'язку використовуються одномодові та багатомодові оптоволокна. Рішення з використанням одномодових оптоволокон, передавачів, приймачів, з'єднувальних компонентів, зазвичай коштують дорожче рішень на базі мультимодових компонент у наслідок технологічних особливостей виготовлення таких компонентів, сфери їх використання, та маркетингового позиціювання.

Оптоволоконний давач

Оптоволокно може бути використане як давач для вимірювання напруги, температури, тиску і інших параметрів. Малий розмір і фактична відсутність необхідності в електричній енергії, дає оптоволоконним давачам перевагу перед традиційними електричними в певних областях.

Оптоволокно використовується в гідрофонах в сейсмічних або гідролокаційних приладах. Створені системи з гідрофонами, в яких на волоконний кабель припадає більше 100 давачів. Системи з гідрофоновим давачем використовуються у нафтовидобувній промисловості, а також флотом деяких країн. Німецька компанія Sennheiser розробила лазерний мікроскоп, що працює з лазером і оптоволокном.

Оптоволоконні давачі, що вимірюють температури і тиск, розроблені для вимірювань в нафтових свердловинах. Оптоволоконні датчики добре підходять для такого середовища, працюючи при температурах, дуже високих для напівпровідникових давачів (Оптоволоконне вимірювання температури).

Інше застосування оптоволокна — як давач у лазерному гіроскопі, який використовується в Boeing 767 і в деяких моделях машин (для навігації).

Оптоволокно застосовується в охоронній сигналізації на особливо важливих об'єктах (наприклад ядерна зброя)^{[джерело?]}. Коли зловмисник намагається перемістити боєголовку, умови проходження світла через світлопровід змінюються, і спрацьовує сигналізація.

Інші застосування оптоволокна

Диск фрісбі, освітлений оптоволокном

Оптоволокна широко використовуються для освітлення. Вони використовуються як світлопроводи в медичних і інших цілях, де яскраве світло необхідно доставити в важкодоступну зону. У деяких будівлях оптоволокна використовуються для позначення маршруту з даху в яку-небудь частину будівлі. Оптоволоконне освітлення також використовується в декоративних цілях, включаючи комерційну рекламу, мистецтво і штучні ялинки.

Оптоволокно також використовується для формування зображення. Когерентний пучок, що створюється оптоволокном, іноді використовується спільно з лінзами — наприклад, в ендоскопі, який використовується для проглядання об'єктів через маленький отвір.

Див. також

• Матеріали оптичні
• Оптичні системи
• Сплайс-пластина
• Як оптичних волокон здійснюється (на відео)

Посилання

• Оптоволоконний кабель

Література

• 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, Oxford University Press, New York, 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, Morgan Kaufmann Publishers, San Francisco, 1998 (ISBN 1-55860-445-6)