История волоконной оптики кратко

Обновлено: 05.07.2024

На сегодняшний день остается неразрешенным вопрос: "Какую дату по праву можно считать днем рождения оптоволокна?". Быть может день, когда был сформулирован Закон Снеллиуса, описывающий преломление света на границе двух сред (984 г.)? Или день, когда немецкий математик, астроном и оптик Иоганн Кеплер впервые описал закон полного внутреннего отражения (1600 г.)? Или, когда швейцарский физик Даниэль Колладон и французский физик Жак Бабине впервые продемонстрировали отражение светового луча в струе воды, показав, таким образом, возможность передачи светового луча в заданном направлении (1840 г.)? Или может, когда Норманн Р. Френч изобрел оптическую телефонную систему, в которой речевые сигналы могли передаваться через сеть оптических линий, изготавливаемых из стержней чистого стекла (1934 г.)?

Хотя закон назван в честь голландского астронома Виллеброрда Снеллиуса (1580-1626), он был впервые точно описан ученым Ибн Сахль в 984 г.

Напомним, что Кеплер также является первооткрывателем законов движения планет Солнечной системы.

Рис. 1 Оптическая телефонная система Норманна Френча

Несомненно, каждое из этих открытий является важным событием для волоконной оптики, однако, наверное, все-таки самые значимые исследования в этой области произвел Чарльз Као Куэн – ученый родом из Китая. Сегодня он позиционируется уже как китайский, британский и американский ученый, автор ключевых исследований в области разработки и практического применения волоконно-оптических технологий, значительно повлиявших на развитие индустрии телекоммуникаций. Вообще Као скромно называют "Отцом оптоволоконной связи". В 2009 году ему присудили половину Нобелевской премии по физике за "новаторские достижения в области передачи света по волокнам для оптической связи". Стоит отметить, что другая половина премии досталась Уилларду Бойлу и Джорджу Смиту, которые изобрели ПЗС-матрицы.

В 1966 г. Као представил результаты своего исследования в IEE (не путайте с международной ассоциацией IEEE, IEE – это Британская организация Institution of Electrical Engineers). Основная идея отчета научной работы Као состояла в возможности организации оптической связи с помощью стеклянного волокна (новизна идеи, в первую очередь, заключалась в представленных конструктивных особенностях волокна и его материалов). Изложенные в этом документе идеи по использованию волокна для потребностей связи по праву можно считать основой волоконно-оптических телекоммуникаций сегодняшнего дня. Таким образом, если считать данную работу Као началом становления и развития современной эпохи волоконно-оптической связи, то у оптоволокна в этом году юбилей – ему исполнилось 50 лет!

Однако, впервые термин fiber optic (оптическое волокно) было использовано Американской компанией NS Kapany в 1956 г. Если это событие считать днем рождения волокна, то получается другая круглая дата – волокну 60 лет!

То, что сегодня мы считаем само собой разумеющимся, в том числе высокоскоростной Интернет, межконтинентальная связь и даже мобильные сети – все, так или иначе, связано с оптоволоконными линиями связи. В этом нет ничего удивительного, ведь оптическое волокно сегодня по праву можно считать самым совершенным видом линий связи. ВОЛС обеспечивают более высокую пропускную способность при значительно меньшей стоимости на более большие расстояния, в сравнении со всеми другими линиями, будь то коаксиальный кабель, радиорелейные или спутниковые линии связи.

Интересные факты из истории волоконной оптики

Стоит отдать дань уважения всем исследователям, повлиявшим на развитие сферы волоконной оптики – в какой-то степени благодаря им сегодня мы имеем развитый высокоскоростной Интернет и можем общаться на данном форуме. Сейчас мы не ставим перед собой цель освятить всю историю становления волоконно-оптической связи, а рассмотрим лишь наиболее интересные с нашей точки зрения моменты.

Эксперимент с отражением светового луча в струе воды немного позднее Колладона и Бабине проводил английский физик Джон Тиндалл. Он досконально изучил данное явление, и вот что он записал в своей книге: "Если угол, под которым падает луч света из воды в воздух (т.е. угол между поверхностью двух сред и перпендикуляром), превышает 48 градусов, то луч не выходит из воды – он полностью отражается от границы вода-воздух. Если наименьший угол падения, при котором наблюдается полное внутреннее отражение, назвать предельным углом, то для воды он будет равным 48°27", для бесцветного стекла (флинтглас) – 38°41", а для алмаза – 23°42".

Рис. 2 Экспериментальная установка Джона Тиндалла

Рис. 3 Современные интерпретации опытов Джона Тиндалла

Можете сами провести этот эксперимент в домашних условиях и позабавить, таким образом, например, своих детей. Берем лазерную указку и светим под разными углами в ванной на струю воды из под крана. Подобрав нужный угол, можно добиться полного внутреннего отражения светового луча в потоке воды. Этот опыт будет еще более эффектным, если струя воды будет падать не строго вертикально, а под некоторым углом.

Рис. 4 Современные интерпретации опытов Джона Тиндалла

Если у вас нет лазерной указки, подобный эксперимент можно также провести и с обычным фонариком, однако в этом случае лучше всего взять прозрачную пластиковую бутылку (объемом 1-2 литра), и сбоку около ее дна сделать отверстие диаметром примерно пол сантиметра. Наливаем в бутылку воду, через проделанное отверстие начинается литься вода, с противоположной стороны бутылки светим фонариком. Если под струю воды подставить ладонь, то на ней можно будет наблюдать яркое световое пятно.

Рис. 5 Интерпретация опыта домашних условиях с помощью фонарика

Рассмотрим далее примечательные факты из более поздней истории волоконной оптики. Активные разговоры о волоконных световодах начались еще в начале 50-х годов прошлого века, именно к этому моменту научились их делать из различных прозрачных материалов. Но световоды того времени были недостаточно прозрачны, и при длине 5-10 метров свет в них полностью поглощался.

Стоит отметить, что в то время в сфере волоконной оптики СССР ничуть не отставал от западных стран, и даже наоборот, отечественные разработки во многом опережали иностранные. На первой общеевропейской конференции по волоконно-оптической связи в 1976 году лидерами в этой области были названы СССР и Япония.

У нас в стране первая оптическая линия связи была запущена в эксплуатацию в 1977 году в Зеленограде, соединив администрацию города с научным центром и предприятиями Северной промзоны. Изготовлена она была на оптическом кабеле разработки особого конструкторского бюро кабельной промышленности (ОКБ КП), входящего в Концерн "Радиоэлектронные технологии" (КРЭТ) Государственной корпорации Ростех, специализирующегося на производстве кабелей и кабельных сборок.

В мае 1981 года было принято Постановление ЦК КПСС и СМ СССР "О разработке и внедрении световодных систем связи и передачи информации". С его выходом было положено начало организации широкомасштабных работ в области ВОЛС. Оно поставило перед предприятиями заинтересованных министерств задачи по созданию (оптических волокон) ОВ и кабеля, оптоэлектронной элементной базы, контрольно-измерительной аппаратуры, специального технологического оборудования оптических соединителей и других компонентов.

В 1958 г. советские ученые В.В. Варган и Т.И. Вейнберг доказали, что ". светопоглощение стекол обуславливается примесями красящих металлов, вносимыми шихтой, и продуктами разъедания oгнеупоров; экспериментально показано, что светопоглощение идеально чистого стекла очень мало и лежит за пределами чувствительности измерительных приборов".

Этот факт также четко осознал Чарльз Куэн Као совместно с Джорджем Хокхэмом в 1966 г. в лондонской лаборатории ITT Corporation. В 1960-е годы волокно имело затухание 1000 дБ/км и более. Для возможности передачи информационного сигнала внутри волоконно-оптических каналов Као пытался достичь порогового значения величины затухания сигнала, по крайней мере в 20 дБ/км. Но даже с таким затуханием дальность оптической линии была крайне мала. Данное обстоятельство подстегнуло исследователей к поиску материалов, которые лучше всего соответствовали бы установленным критериям. Специально для этих целей Као собрал коллектив из четырёх человек, в который, включая его самого, вошли Т. Дэвис, М. Джоунс, С. Райт. Тестируя разные материалы, группа приходит к выводу, что наиболее подходящим кандидатом для осуществления волоконно-оптической связи является кварцевое стекло (SiO2), в котором наблюдался наименьший уровень затухания сигнала.

Kao также утверждал, что основная причина затуханий в стекловолокне состоит не в фундаментальных физических эффектах, например, рассеивание, как думали в то время многие физики, а в примесях стеклянного материала, которые можно удалить. Это привело к глобальному исследованию и производству сверхчистых стекловолокон. Когда Kao предложил, что такое стекловолокно можно использовать для передачи информации на дальние расстояния, и что оно может заменить медные провода, составляющие основу телекоммуникаций того времени, большинство его идеи не восприняли всерьез. Отметим, что на ранней стадии разработки оптических волокон Kao уже строго предпочел одномодовый режим для дальней оптической связи, вместо того, чтобы использовать многомодовые системы.

В 1969 г. Kao совместно с В. М. Джонсоном получил волокно с коэффициентом затухания на уровне 4 дБ/км, что явилось первым доказательством возможности получения сверхпрозрачного стекла. Только с этого момента компания Bell Labs начала серьезно рассматривать волоконную оптику как перспективную телекоммуникационную систему.

В 1970 г. фирма Corning Glass Works (позднее переименованная в Corning Incorporated) произвела оптические волокна со ступенчатым профилем показателя преломления и достигла коэффициента затухания менее 20 дБ/км на длине волны 633 нм. Впервые кварцевое волокно пропустило световой луч на расстояние до 2 км.

В середине 1970-х он сделал оригинальное исследование по пределу усталости стекловолокна. Позднее Kao запустил программу "Терабитная технология", посвященную ограничениям в возможностях обработки высокочастотных сигналов, поэтому Као также известен как "отец концепции терабитной технологий". Као опубликовал более 100 статей и получил более 30 патентов, в том числе на разработку водостойких высокопрочных волокон.

Приведем далее некоторые примеры использования волокон в современных отраслях промышленности и техники.

Области применение оптоволокна, помимо сферы телекоммуникаций

На сегодняшний день область применения оптического волокна не ограничивается лишь телекоммуникационными сетями. Оно используется в самых различных сферах человеческой деятельности. В области медицины ОВ используется в рентгеновских аппаратах. В них оптоволокно обеспечивает гальваническую развязку между источником высокого напряжения и низковольтным управляющим оборудованием, изолируя, таким образом, пациентов и персонал от высоковольтной части аппаратуры. В распределительных устройствах электрических подстанций ОВ используется в системах защиты как датчик, регистрирующий возникновение дуги. Такой датчик, представляющий собой отрезок оптоволокна с прозрачным покрытием, регистрирует всей своей поверхностью излучение вспышки света, возникающей при дуговом коротком замыкании.

Датчики на основе оптических волокон применяются в различных измерительных системах, где вследствие экстремальных условий (повышенная радиация, температура или электромагнитное поле) невозможно применение традиционных электрических приборов. Например, в системах измерения температуры в реактивных двигателях самолета, в аппаратах МРТ (томографические медицинские аппараты для исследования внутренних органов, в том числе головного мозга) и др. Датчики на основе оптических волокон могут измерять частоту вибраций, вращения, смещения, скорость и ускорение, вращающий момент, скручивание и другие параметры.

Рис. 6 Пример реализации волоконно-оптического гироскопа

Рис. 7 Трехосевой волоконно-оптический инерциальный измерительный модуль серии ASTRIX производства фирмы AIRBUS DEFENCE&SPACE; в датчик по каждому направлению встроен LiNb03 модулятор

Также оптоволокно применяется в охранной сигнализации на особо важных объектах. Когда злоумышленник проникает в запретную зону, условия прохождения света через световод изменяются, и срабатывает сигнализация.

Оптические волокна используются в декоративных целях, включая коммерческую рекламу, искусство и искусственные рождественские ёлки (что сейчас перед Новым годом довольно актуально).

Периодически создаются новые типы оптических волокон. Например, были разработаны фотонно-кристаллические световоды, в которых распространение света основано на принципах, отличных от полного внутреннего отражения. Такие волокна могут использоваться в качестве газовых, жидкостных или химических датчиков, для транспортировки мощного излучения в промышленных или медицинских целях, для создания новых типов источников излучения на основе нелинейных явлений (при условии заполнения сердцевины газом) и т.д.

Появляются волоконные лазеры, выходная мощность непрерывного излучения которых достигает нескольких десятков киловатт. Оружие ВМФ США, испытанное в 2014 г., состоит из 6-волоконных 5.5 кВт лазеров, объединенных в один пучок и излучающих через формирующую оптическую систему. Самая высокая мощность одномодового источника когерентного излучения компании IPG Photonics составляет 10 кВт. Самый мощный многомодовый волоконный лазер - установка для резки металлов того же производителя достигает 100 кВт. Волоконный лазер мощностью 4 кВт может использоваться для резки и бурения бетона.

Разрабатываются также ОВ, которые обеспечивают возможность передачи энергии лазерного излучения высокой мощности (нескольких киловатт). Теоретически установлено, что возможна передача излучения мощностью 10 кВт по волокну длиной 250 м при диаметре сердцевины 150 мкм. Главным физическим явлением, которое ограничивает передаваемую мощность, является вынужденное рамановское рассеяние.

Рис. 9 Фотонно-кристаллическое волокно

Также стоит отметить, что сегодня активно разрабатываются многосердцевинные волокна. Их использование позволит значительно увеличить общую пропускную способность ВОЛС.

В 50 лет волокно ищет досрочный выход на пенсию? Отнюдь нет! Как видно, инновации в сфере волоконной оптики появляются постоянно, и отрасль телекоммуникаций не является единственной заинтересованной отраслью в развитии оптических волокон – область применения ОВ крайне широка. В будущем мы планируем представить материал о современных достижениях в области волоконно-оптической связи.

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

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. В ряде случаев они также используются при создании датчиков.

История

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.

Повсеместному переходу на технологии ВОЛС мешали высокие затухания в оптическом волокне, поэтому конкуренция с медными линиями была невозможна. Только к 1970 г. компании Corning (англ.) 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 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.

Изобретение лазера дало толчок в развитии оптической связи

С изобретением лазера в 1958 году началась целая эпоха оптической связи. Используя систему зеркал и линз, ученые смогли контролировать перемещение пучка света по световоду, получив новый сверхэффективный метод передачи данных. С его помощью во времена СССР с Земли успешно управляли движением лунохода. Но основным недостатком этой технологии была ее крайне высокая стоимость.

Исследования продолжились, и в 60-х годах было сделано сенсационное открытие: при увеличении степени прозрачности оптического волокна, оно способно давать затухание колебаний всего 20дБ за километр и меньше. А это позволяло использовать его для скоростной передачи данных на значительные расстояния. Поэтому в 70-х годах началось производство первых оптических волокон.

Сегодня использование оптического кабеля — одна из наиболее эффективных технологий передачи данных. И существуют перспективные направления ее развития в создании информационных сетей.

Оптический цифровой кабель

Материалы

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

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.

Области применение оптоволокна, помимо сферы телекоммуникаций

Рис. 6 Пример реализации волоконно-оптического гироскопа

Оптические волокна используются в декоративных целях, включая коммерческую , искусство и искусственные рождественские ёлки (что сейчас перед Новым годом довольно актуально).

Рис. 8

Появляются волоконные лазеры, выходная мощность непрерывного излучения которых достигает нескольких десятков киловатт. Оружие ВМФ США, испытанное в 2014 г., состоит из 6-волоконных 5.5 кВт лазеров, объединенных в один пучок и излучающих через формирующую оптическую систему. Самая высокая мощность одномодового источника когерентного излучения компании IPG Photonics составляет 10 кВт. Самый мощный многомодовый волоконный лазер — установка для резки металлов того же производителя достигает 100 кВт. Волоконный лазер мощностью 4 кВт может использоваться для резки и бурения бетона.

Рис. 9 Фотонно-кристаллическое волокно

Классификация

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:

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.

Литература

Кол-во блоков: 13 | Общее кол-во символов: 27979
Количество использованных доноров: 4
Информация по каждому донору:

В 1966 году ученый и выходец из Китая Чарльз Као Куэн представил миру результаты собственного исследования. Основной посыл его разработок заключался в том, что оптическую связь можно организовать с помощью стеклянного волокна. В своей работе Као представил миру уникальные конструктивные особенности волокна и его материалов. Исследования ученого можно по праву считать основой волоконно-оптических телекоммуникаций сегодняшнего дня. Первое же упоминание термина “оптическое волокно” впервые было использовано в 1956 году компанией NS Kapany из США.

Сегодня технологии волоконно-оптической связи настолько прочно проникли в нашу жизнь, что мы уже не видим в них ничего удивительного и воспринимаем их наличие также, как наличие водопровода в многоквартирном доме. Поэтому в этой публикации хотелось бы подробнее поговорить об оптике и рассказать несколько интересных фактов о технологии, на которой основана современная высокоскоростная связь.

Немного истории

За время истории развития волоконной оптики было проведено множество интересных исследований и экспериментов. Остановим свой взгляд лишь на некоторых из них.

Английский физик Джон Тиндалл провел эксперимент с отражением светового луча в струе воды, описание которого он зафиксировал в своей книге.

Экспериментальная установка Джона Тиндалла

Этот эксперимент при желании может дома поставить любой желающий. Лазерной указкой нужно светить под разными углами в ванной на струю воды из крана. Под определенным углом световой луч будет полностью отражаться в потоке воды.

Аналогичный эксперимент можно произвести и с фонариком. Для этого в прозрачной пластиковой бутылке нужно сделать отверстие сбоку. Пропускаем воду через бутылку и начинаем светить фонарем с противоположной стороны бутылки. Если мы подставив ладонь, то на ней будет отражаться пятно света.

Активные разговоры о волоконных светодиодах начались еще в пятидесятых годах прошлого столетия. Тогда же и начали их делать из разного рода прозрачных материалов. Но прозрачности тех материалов не хватало для хорошей проводимости света.

В начале 60-х сначала в СССР, а затем и на Западе ученые приходят к выводу, что светопоглощение стекла сильно зависит от красящих материалов и продуктов разъедания огнеупоров. Экспериментально было доказано, что светопоглощение идеально чистого стекла настолько мало, что лежит за пределами чувствительности измерительных приборов.
В 1966 году группа ученых во главе Чарльзом Куэн Као приходит к выводу, что наиболее подходящим материалом для волоконно-оптической связи будет кварцевое стекло. Уже тогда Као считал, что с помощью оптики можно будет передавать информацию и вскоре этот вид связи заменит передачи сигнала по медным проводам.

Спустя три года Као получил волокно с коэффициентом затухания на уровне 4 дБ/км. Это результат стал первым экземпляром сверхпрозрачного стекла. Еще год спустя компания Corning Incorporated произвела волокна со ступенчатым профилем показателя преломления и достигла коэффициента затухания 20 дБ/км на длине волны 633 нм. Впервые кварцевое волокно пропустило световой луч на расстояние до 2 километров.

Согласитесь в схожем темпе сейчас развивается квантовая передача данных. По чуть-чуть, да понемногу. В качестве экспериментов и коммерческого использования на небольших расстояниях.

Где оптоволокно применяется помимо телекома

Сегодня волокно применяется во множестве отраслей помимо телекома. Это рентгеновские аппараты, где оно обеспечивает гальваническую развязку между источником высокого напряжения и низковольтным управляющим оборудованием. Так персонал и пациенты получают изоляцию от высоковольтной части аппаратуры. Волокно применяют в распределительных устройствах электроподстанций в качестве датчика системы защиты.

Обширно оптические волокна используют в разного рода измерительных системах, где невозможно применять традиционные электроприборы. Например, в системах измерения температуры в реактивных двигателях самолета, в аппаратах МРТ (томографические медицинские аппараты для исследования внутренних органов, в том числе головного мозга) и др. Датчики на основе оптических волокон могут измерять частоту вибраций, вращения, смещения, скорость и ускорение, вращающий момент, скручивание и другие параметры.

Сегодня применяются гироскопы на основе оптического волокна, которые работают на основе эффекта Саньяка. У такого гироскопа нет подвижных частей, что делает его весьма надежным. Несмотря на то что в современных системах навигации используется огромное количество различных датчиков, благодаря которым определяется положение объекта, наиболее независимую систему можно создать лишь на основе волоконно-оптических гироскопов.
Оптика широко применяется в охранной сигнализации. Устроена такая охранная система следующим образом: когда злоумышленник проникает на территорию условия прохождения света через световод изменяются, и срабатывает сигнализация.

Пример реализации волоконно-оптического гироскопа

Трехосевой волоконно-оптический инерциальный измерительный модуль серии ASTRIX производства фирмы AIRBUS DEFENCE&SPACE; в датчик по каждому направлению встроен LiNb03 модулятор

Волокно активно используется в декоративных целях, как украшение праздников, в искусстве и рекламе.

Постоянно разрабатываются новые типы оптических волокон. К примеру, фотонно-кристаллических световоды. Распространение света в них основано на несколько иных принципах. Такое волокно можно использовать в качестве жидкостных, химических и газовых датчиков. Кроме того его можно применять для для транспортировки мощного излучения в промышленных или медицинских целях.

Уже не в новинку волоконные лазеры с выходной мощностью непрерывного излучения в несколько десятков киловатт. Оружие на основе 6-волоконных 5.5 кВт лазеров еще в 2014 году испытали в американском флоте. Волоконным лазерами режут металл и бетон. Например, установка для резки металла компании IPG Photonics имеет мощность в 100 кВт.

Полным ходом идет разработка оптоволокна, с помощью которого можно было бы передавать энергию лазерного излучения мощность в несколько киловатт. В теории передача излучения мощность 10 кВт по волокну длиной 250 м при диаметре сердцевины 150 мкм считается возможной.

Фотонно-кристаллическое волокно

Также стоит отметить, что сегодня активно разрабатываются многосердцевинные волокна. Их использование позволит значительно увеличить общую пропускную способность ВОЛС.
Волокну уже за пятьдесят, но технология явно не собирается на пенсию. Инновации в сфере оптоволокна появляются регулярно и телеком здесь далеко не единственная отрасль заинтересованная в развитии технологии.

Почему же сегодня так важно знать и изучать историю? Да потому, что, не зная прошлого, невозможно осмыслить и понять настоящее и заглянуть в будущее.

В начале было .

Первые упоминания о вытягивании стекла в волокна восходят ко временам Римской империи, но никто в ту эпоху не пытался применить стекловолокно для передачи данных.

К концу XVIII века уже довольно остро ощущалась потребность в быстрой передаче информации, и имелась технология производства стекловолокна. Но пока никому в голову не пришла идея увязать первое со вторым для решения проблемы обмена данными. И только в следующем столетии в области оптической науки произойдут серьезные открытия, а пока… Пока люди пользовались семафорами.

Прогулки по воде

Любой из нас не раз наблюдал, что свет распространяется по прямой: лучи солнца, свет фонаря – можно привести немало примеров, с которыми мы сталкиваемся ежедневно. Но если обратить внимание на луч света, проходящий сквозь воду, можно увидеть, что он отклоняется от первоначального направления, пройдя через границу двух сред. А если поместить источник света в воду, то будет видно, как на границе воды и воздуха луч света разделится. Некая часть пойдет дальше по прямой, но бОльшая часть отразится от поверхности воды и уйдет обратно в воду. Это явление называется полным внутренним отражением. Оно показывает, что практически весь пучок света ограничивается средой с более высоким коэффициентом преломления (водой), заключенной в оболочку из материала с меньшей оптической плотностью (воздух).

Используя этот эффект, в 1840 г. физики Даниэль Коллодон (Daniel Collodon) и Жак Бабинэ (Jacques Babinet) показали однажды ночью интересный опыт с фонтаном. Луч света, направленный на его струи, изгибался точно в соответствии с их движением. Таким образом, струи фонтана выступили в роли световодов.

В 1854 г. британский физик Джон Тиндаль (John Tyndall) доказал, что свет проходит по искривленной струе воды, повторяя ее направление.

Позднее Бабинэ провел следующий опыт: наполнив водой резервуар с трубой, через которую вода стекала в бак, он посветил в резервуар фонарем и увидел свет в потоке воды, выливающейся в бак - свет следовал по траектории вытекающей из резервуара воды.

Телефон? Фотофон!

Оптическая телефонная система была запатентована в 1880 году непревзойденным американским гением Александром Беллом. Фотофон Белла, к сожалению, в широкие массы не пошел, а вот его младший брат - обычный телефон - оказался гораздо успешнее. Немного позже, но в этом же году, Уильям Уолтер (привет сериалу За гранью )) ) экспериментировал с трубами, имеющими покрытие с высоким показателем отражения, освещая свой дом электрическими лампами, расположенными в подвале, напрямую передавая потоки света по трубкам.

В 1888 г. изогнутые стеклянные стержни применялись доктором Ротом (Roth) и профессором Ройссом (Reuss) в Вене для освещения внутренних органов пациента. За ними последовал французский инженер Анри Сен-Рене (Henri Saint-Rene), который использовал стеклянные изогнутые стержни для передачи цветных изображений – это был один из первых опытов в области телевидения. В 1989 г. американец Дэвид Смит (David Smith) запатентовал стоматологический зонд, имевший в своей основе изогнутый стеклянный стержень.

Прорывы XX века

В 1920 году Джон Логи Бэрд получил патент на использование матрицы из прозрачных стержней для передачи телевизионного сигнала, и в тоже время Кларенс Ханселл использовал ту же технологию в факсимильных аппаратах.

В 1930 Генрих Ламм успешно передал уже целое изображение через пучок волокон, и это было изображение лампочки накаливания. Он хотел модернизировать систему для использования ее в медицинских целях, чтобы в буквальном смысле заглянуть внутрь человеческого тела. Но вмешалась вторая мировая война и нарушила его планы. Он был вынужден отказаться от своей работы и искать убежище в Америке. Он также пытался запатентовать эту технологию, но его патент отклонили из-за более раннего британского патента Кларенса Ханселла.

Датский физик Хольгер Меллер (Holger Moeller) в 1951 г. тоже подал заявку на патент на тему волоконно-оптической визуализации. Он предлагал покрывать стеклянное или пластиковое волокно материалом с низким показателем преломления. Его заявка была отклонена, потому что Бэрд (Baird) и Хансель (Hansel) уже запатентовали идею использования матрицы из полых труб или из прозрачных стержней для передачи изображений в телевидении и факсимильных аппаратах.

Мазер или лазер?

В 1958 году лазеры еще не появились, а Чарльз Таунс и Артур Шавлов экспериментировали с мазером в оптическом и инфракрасном диапазонах. Свет отражался от передней и задней поверхности (это называется оптический резонатор). Для усиления электромагнитного излучения оптического диапазона необходимо было создать объёмный резонатор, размеры которого были бы порядка микрона. Из-за связанных с этим технологических трудностей многие учёные в то время считали, что создать генератор видимого излучения невозможно. Но тем не менее первый действующий !!постоянно!! гелий-неоновый газовый лазер был изобретен и опробован в 1960 году.

Слово о структуре

Только в 1970 г. ученым из Corning Glass Works удалось создать одномодовое волокно с затуханием 20 дБ/км. Этот результат был достигнут за счет легирования кварцевого стекла с титаном. Bell Laboratories совместно с Мортоном Панишем, Изуо Хаяши и параллельно с группой ученых из Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе в Ленинграде в 1973 г. продемонстрировали полупроводниковый диодный лазер, который мог излучать непрерывные волны при комнатной температуре.

Отныне и навсегда

В конце 70-х - начале 80-х годов телефонные компании стали очень интенсивно использовать оптический кабель для построения опорных сетей. В середине 80-х телекоммуникационная компания Sprint ввела в эксплуатацию 100% оптическую опорную телефонную сеть, протянувшуюся через всю Америку. В 1986 году Дэвид Нил Пейн и Эммануэль Десурвир разработали принцип волоконно-оптического усилителя EDFA . Благодаря этой технологии в 1988 году был проложен первый трансатлантический телефонный кабель.

TPC–5 – самый настоящий оптический кабель с оптическими усилителями - был проложен по дну Тихого океана в 1996 г. В следующем году FLAG стала сетью с рекордной протяженностью (28 000 км) и основой для следующего поколения интернет-приложений. Fiber Optic Link Around the Globe – волоконно-оптическая линия связи вокруг Земного шара из одиночного кабеля, по большей части подводного.

В наши дни волоконная оптика применяется во многих областях. Оборонный комплекс и медицинское обслуживание, телекоммуникации и хранение данных, сетевая инфраструктура, телерадиовещание и промышленный сектор – везде нашлось место для этого универсального волокна.

Волоконная оптика сделала возможными многие вещи, без которых современному человеку практически нельзя обойтись. Это высокоскоростной интернет, межконтинентальная связь, мобильные сети. Оптоволоконные линии обеспечивают передачу данных на невероятно высокой скорости. Ещё одно достоинство оптоволокна – возможность использования на значительном расстоянии. При этом применение оптоволоконных кабелей для организации линий связи отличается сравнительно небольшими финансовыми затратами.

Своим появлением волоконная оптика обязана множеству открытий. Каждое из них имеет право претендовать на то, чтобы быть причастным к истории создания оптоволокна. Самые значимые открытия сделал ученый Чарльз Као Куэн, получивший за свои работы Нобелевскую премию по физике. Его по праву считают отцом оптоволоконной связи.

В 1966 году Чарльз Као Куэн представил в IEE свою научную работу, в которой доказал возможность организовать линию связи при помощи волокна из стекла. Работа подкреплялась многочисленными практическими исследованиями. Большое внимание было уделено особенностями конструкции волокна и материалам, что можно использовать в производстве. Именно дату выпуска этой работы можно назвать полноценным днём создания привычного нам оптоволокна, без которого сейчас сложно представить системы телекоммуникаций.

Интересные факты из истории оптоволокна

История появления волоконной оптики связана с большим количеством открытий в области физики. Большое значение имеют исследования учёного Джона Тиндалла, который узнал, что если свет входит в воду под углом 48 градусов, то не выходит из неё, то есть полностью отражается. Позже стало известно, что нечто подобное наблюдается и при столкновении света с другими материалами. Соответствующие научные работы были опубликованы в середине XIX века.

Подобные эксперименты с водой можно повторить в домашних условиях: для этого потребуется лазерная указка или обычный фонарик. Это хороший способ развлечь детей.

В середине XX века учёные начали говорить о создании световодов на основе волокна. Первые модели обладали недостаточной прозрачностью, могли передавать световой сигнал лишь на считанные метры. Но разработка быстро пошла вперед: в 1976 году состоялась конференция по работам в области оптоволоконной связи, и лидерами там были Советский Союз и Япония. Через год в Зеленограде была запущена первая оптическая линия связи.

Чарльз Куэн Као вместе с Джорджем Хокхэмом много работали над поиском материалов, что имели бы минимальный коэффициент затухания. Этот параметр наиболее важен, чтобы обеспечить связь на больших расстояниях. После многочисленных исследований оказалось, что оптимальный материал – кварцевое стекло. Стоит выделить 2 идеи ученого, которые являются основой современной высокоскоростной связи.

Во-первых, необходимо использовать сверхчистые материалы.

Во-вторых, наилучшим вариантом становятся одномодовые кабели.

В 1969 году Чарльзу удалось снизить затухание до 4 дБ/км. В 1970 компания Corning Glass Works использовала кварцевое волокно для передачи светового сигнала на расстояние до 2 км.

Вклад Као в развитии оптоволоконных сетей сложно переоценить. На его счету более сотни статей и 30 патентов.

Где применяется оптоволокно

Об использовании оптоволокна в сфере телекоммуникаций знают все, но этим область его применения не ограничивается.

Современные рентгеновские аппараты применяют оптическое волокно, чтобы не допустить попадания врачей и пациентов в зону высокого напряжения.

В распределительном оборудовании электрических подстанций оптоволокно также выполняет защитную функцию.

Повышенная радиация, температура, электромагнитное поле и другие экстремальные условия накладывают ограничение на использование электрических измерительных приборов. В таких ситуациях на выручку приходят датчики на базе оптических волокон. Эти элементы способны измерять большое количество различных параметров, среди которых частота вибраций, вращение, смещение, скорость и ускорение, вращающий момент, скручивание.

На основе оптоволокна изготавливаются гироскопы, достоинство которых – отсутствие подвижных частей. Высокая надёжность и точность измерений сделали такие приборы востребованными для установки в самолётах и аэробусах.

Охранная сигнализация – ещё один способ использования оптического волокна. Попадание постороннего человека в определённую зону изменяет особенности прохождения света, благодаря чему сигнал о правонарушении моментально поступает охране.

Оптоволокно применяется и в декоративных целях. Его использование в качестве декора особенно востребовано в следующих областях:

производство искусственных ёлок;

создание объектов искусства.

Новые разновидности оптических волокон появляются постоянно, благодаря этому расширяется сфера применения материала. Оптоволокно крайне востребовано в промышленности, медицине, военном деле. Оно позволяет создать мощный лазер, способный бурить бетон и резать массивные объекты.

Учёные ведут активную работу над разработкой оптоволокна, в котором будет использоваться большое количество ядер (сердцевин). Появление такого материала позволит многократно увеличить пропускную способность кабельных сетей.

Оптическое волокно уже многие десятилетия служит человечеству для решения самых разных задач, и в большинстве областей ему нет адекватной замены. Прогресс не стоит на месте, появляются инновации, способные расширить сферу его использования. Новые разработки также помогают улучшить характеристики, влияющие на применение волокна в традиционных областях, таких как телекоммуникация.

Читайте также: