Волоконная оптика это кратко

Обновлено: 05.07.2024

Волоконная оптика как термин — это учение о распространении светового потока в оптическом волокне. Как продукция волоконная оптика – это все то, что имеет в составе оптико-волоконный элемент.

Оптическое волокно – это изготовленная из кварцевого стекла тонкая жила, внутри которой течет световой луч, не покидая ее пределов. Сегодня существует оптоволокно с пластиковым сердечником, характеристики которого близки к натуральному кварцу. Смысл один – световой пучок отражается от стенок жилы и сохраняет свое информационное содержание вне зависимости от дальности передачи данных. Именно оптоволокно – самый лучший материал трансляции цифрового сигнала без затухания на дальние расстояния.

Появление и развитие оптоволокна

Световые сигналы, как метод обмена информацией, используются со времен появления огня. Идея информирования светом в новом времени впервые была апробирована Р.Гуком, который создал оптический телеграф, способный передавать информацию с помощью интервальной трансляции световых видимых сигналов, которые можно было увидеть на разных расстояниях невооруженным глазом или в подзорную трубу.

Далее появился другой сигнальный аппарат, который разработал Клоп Шапп. Здесь была трансформирована не только идея использования световых импульсов, но и введена систематизация подаваемых аппаратом сигналов. Теперь наборы знаков были унифицированы, а для их расшифровки был составлен словарь. Телеграфы нового типа быстро распространились не только на родине создателя во Франции, но и по всему континенту.

После этого был еще ряд доработок световых телеграфов, пока в 1960 году не появился лазер. Открытие принадлежит советским ученым, которые не только открыли новую форму светового луча, но и заложили базу для дальнейшего развития методик передачи данных светом.

Современные оптико-волоконные линии связи отличаются большей долговечностью, качеством, стойкостью к внешним воздействиям и разы превосходят медные кабельные сети передачи данных. Несмотря на более высокую стоимость, оптоволокно быстро и уже почти полностью заменило магистральные телекоммуникационные сети, обеспечив высокую скорость, чистоту и защиту сигнала от помех.

Материалы для оптоволокна

Как мы говорили выше, оптоволоконный кабель в сердечнике имеет кварцевый или полимерный стержень. Натуральный кварц обуславливает следующие характеристики кабельной продукции:

Высокую оптическую проницаемость, что позволяет транслировать волны разных диапазонов.

Малое затухание (потери сигнала), что является определяющим преимуществом для использования оптоволокна при построении магистралей большой протяженности.

Температурную стойкость – оптико-волоконные кабели могут эксплуатироваться при экстремально высоких температурах.

Большую гибкость – световоды на основе кварцевого оптоволокна могут иметь до 1000 микрометров в диаметре.

К минусам стоит отнести снижение пропускной способности в зонах с инфракрасным излучением: здесь сигнал затухает и использование дорогостоящих кабелей нецелесообразно.

Структура оптического кабеля

Вне зависимости от того, используется кварцевый или полимерный материал, структура кабеля одинакова. Ее образуют:

Внешняя обшивка. Это буфер от внешних воздействий. Защищает внутренние компоненты кабеля от факторов среды, включая химические и механические воздействия. Предельно допустимая толщина обшивки не превышает 250 микрон.

Виды кабельной продукции на основе волоконной оптики

Сегодня существует два вида оптоволокна – одномодовое и многомодовое . Они различаются характеристиками и диаметром сердечника.

Диаметр сердечника одномодового волокна не превышает 8 микрон. Именно этот тип используется для трансляций на дальние расстояния, так как межмодовая дисперсия здесь практически равна нулю. Дело в том, что в столь малом диаметре можете перемещаться только один луч, поэтому возможность возникновения помех отсутствует.

Многомодовое волокно в диаметре может составлять 62,5 микрона. Здесь большая площадь приема, что позволяет двигаться нескольким лучам одновременно. При этом ввод лучей, как правило, происходит под разными углами, что повышает рассеивание из-за отражения этих лучей от поверхности оболочки. Соответственно, скорость и качество сигнала снижаются, поэтому подобные линии используются для локальных сетей и передачи сигнала между близлежащими строениями.

Многомодовое волокно бывает:

Ступенчатым. Волокно с одинаковой плотностью сердечника на всем протяжении кабеля. Вероятность межмодовой дисперсии здесь выше, а скорость передачи – ниже.

Область применения

Оптическое волокно применяется в любых сферах, где требуется построение телекоммуникационных сетей и проведение технических изысканий с использованием оптических датчиков.

Такие датчики позволяют измерять давление, температуру, расстояние, массу, звуковые волны, ток, магнитное поле, концентрацию газа, дозу радиационного излучения и ряд других физических показателей.

Оптоволокно широко применяется для акустических наблюдений в добывающей промышленности. Специалисты фиксируют звуковые вибрации вдоль нефтепроводов и газопроводов для выявления вероятности аварии или несанкционированного вмешательства.

Ученые-биологи с помощью оптоволокна исследуют поведение животных. Специальные датчики улавливают звуковые сигналы, с помощью которых коммуницируют киты и дельфины.

В качестве световода оптоволокно применяют в медицине для диагностики заболеваний и при эндоскопических операциях. Тонкий гибкий оптоволоконный кабель позволяет разглядеть, что происходит внутри человеческого тела.

Применение оптических волокон не ограничивается сферами науки и техники. Материал используется даже при создании произведений искусств. Оптические световоды выступают частью арт-инсталляций. Также широко применяются в наружной рекламе.

Преимущества оптоволоконного Интернета

Свойства оптоволоконного кабеля обеспечивают превосходство связи в сравнении с кабельными и DSL-технологиями.

Волоконная оптика является относительно молодой областью науки и техники, и её определение нельзя считать устоявшимся. Тем не менее мы попытаемся его дать.

Структура волоконного световода

Это область науки и техники, которая занимается изучением явлений, возникающих при распространении света в волоконных световодах; применением волоконных световодов и технологией их изготовления. Волоконный световод – это длинная тонкая нить, как правило, из стекла, имеющая сложную внутреннюю структуру. В простейшем случае световод состоит из сердцевины с показателем преломления n₁, оболочки с показателем преломления n₂ (при этом n₁ > n₂) и защитного покрытия. Сердцевина и оболочка образуют волноводную структуру, обеспечивающую распространение излучения, а внешнее покрытие (полимерное, металлическое и пр.) предохраняет световод от внешних воздействий.

Явление полного внутреннего отражения

Распространение света в волоконных световодах основано на явлении полного внутреннего отражения. Это явление наблюдается при переходе излучения из среды с большим показателем преломления (n₁) в среду с меньшим показателем (n₂). При углах падения меньше критического угла _с, где _с – угол между направлением распространения луча и нормалью к поверхности раздела сред, происходит преломление луча в соответствии с законом Снеллиуса (луч 1). При углах падения > _с наблюдается полное внутреннее отражение (лучи 2 и 3). Критический угол _с определяется соотношением sin _с = n₂/n₁.

Таким образом, если среду с повышенным показателем преломления на достаточно большом расстоянии окружить средой с меньшим показателем преломления, можно обеспечить волноводное распространение света за счёт явления полного внутреннего отражения.

Первая демонстрация волноводного распространения света связана с именем английского учёного Дж.Тиндаля (1820–1893 гг.), который наблюдал такое распространение в струе воды. При этом полное внутреннее отражение обеспечивалось тем, что вода имеет показатель преломления более высокий (1,33), чем воздух (1). Следует отметить, что в настоящее время существует премия Тиндаля, присуждаемая за выдающиеся достижения в области волоконной оптики.

К основным параметрам волоконного световода относятся диаметр сердцевины 2a, диаметр оболочки 2b, числовая апертура NA, оптические потери , длина L. В зависимости от типа волоконного световода диаметр серд-цевины может составлять от 1 до 100 мкм, диаметр оболочки – от 100 до 1000 мкм. Для световодов, используемых в оптических линиях связи, диаметр сердцевины около 10 мкм, оболочки – 125 мкм.

На первом этапе своего развития (до начала 70-х гг. XX в.) волоконная оптика занималась разработкой волоконных световодов для подсветки труднодоступных объектов, передачи изображения, эндоскопии. Они имели большие оптические потери, порядка 1–10 дБ/м, поэтому длина используемых световодов не превышала нескольких метров. То есть волоконная оптика занимала свою, довольно ограниченную нишу, и её развитие можно было определить как вялотекущее. Ситуация начала меняться в 60-х гг. XX в. после появления лазеров. За это выдающееся открытие в 1964 г. была присуждена Нобелевская премия американскому учёному Ч.Таунсу (США) и нашим соотечественникам Н.Г.Басову и А.М.Прохорову. Именно изобретение лазеров предопределило новые применения волоконных световодов, важнейшим из которых является передача оптических сигналов на большие расстояния, или создание оптических линий связи.

Следует отметить, что история человечества – это и история развития средств связи, от сигнальных костров до спутников связи и трансокеанских оптических кабелей. Важной вехой в этой истории было изобретение братьями Шапп оптического телеграфа в 1794 г. Оптический телеграф представлял собой цепочку башен на дистанции прямой видимости между французскими городами Париж и Лилль, расстояние между которыми
225 км. Кодировка информации осуществлялась путём определённых положений набора рычагов, скорость передачи составляла около пятидесяти знаков в час. В 1839 г. была построена самая длинная (1200 км) линия оптического телеграфа Петербург–Варшава.

Следует отметить, что развитие радиосвязи сопровождалось освоением всё более высоких частот электромагнитного излучения, или укорочением длин волн. Это связано с тем, что, чем выше частота излучения, переносящего информацию (несущая частота), тем с большей частотой её можно модулировать информационными сигналами. Значит, повышается скорость передачи информации. Если для первых радиопередач использовались длины волн в сотни и тысячи метров, то при переходе в УКВ-диапазон длина волны составила метры. Использование металлических волноводов и коаксиальных кабелей позволило перейти в миллиметровый диапазон. Длина волны излучения в оптическом диапазоне порядка 1 мкм (0,001 мм), а значит, скорость передачи информации может быть больше на три порядка, чем в коаксиальных кабельных линиях. Именно поэтому появление лазеров сразу вызвало интерес в плане их применения в линиях связи.

На рисунке показана схема одной из распространённых технологий – модифицированного химического осаждения из газовой фазы (MCVD-процесс), – когда окисление проводится внутри опорной трубы из кварцевого стекла: оксиды кремния, германия и других компонентов осаждаются на внутренней поверхности трубы. По окончании процесса трубу с осаждёнными слоями дополнительно нагревают, и она схлопывается в стеклянный стержень, получается так называемая заготовка.

Следующий важный технологический этап – вытяжка из заготовки волоконного световода, для чего используются специальные вытяжные башни. Схема вытяжки представлена на рисунке. Заготовка помещается в нагреватель и непрерывно продвигается в горячую зону по мере вытяжки световода, диаметр которого контролируется специальными устройствами и регулируется изменением температуры нагревателя. По пути к приёмному барабану на световод наносится внешнее покрытие. Как правило, оно полимерное, но для специальных применений может наноситься металлическое или углеродное. От качества вытяжки зависит такой параметр световода, как прочность. Стандартные волоконные световоды способны выдерживать нагрузку до 5 кг.

Такие достижения в области технологии дали толчок бурному росту нового направления телекоммуникаций – волоконно-оптическим линиям связи. В линиях связи первого поколения для передачи сигнала использовался свет на одной длине волны, излучаемый полупроводниковым лазером. На расстоянии, соответствующем ослаблению сигнала примерно в 100 раз, в линию вставлялся ретранслятор, состоящий из фотоприёмника, электронного усилителя и полупроводникового излучателя, воспроизводящего первоначальный оптический сигнал. Переход на рабочую длину волны 1,55 мкм и разработка квантовых волоконных усилителей на основе световодов, легированных ионами эрбия, позволили упростить схему передающего тракта и довести скорость передачи информации до 40 Гбит/с.

Дальнейшие исследования показали, что по одному и тому же световоду возможна передача информации на многих длинах волн, так называемое спектральное уплотнение каналов. Волоконная линия стала включать в себя устройство для объединения излучений различных лазеров (мультиплексор) и устройство для их разъединения (демультиплексор) и подачи на различные фотоприёмники. Это позволило увеличить скорость передачи информации по одному световоду до 1–10 Тбит/с.

В настоящее время общая длина проложенных волоконных линий связи превышает 500 млн км. Ими соединены все развитые страны на всех континентах. Впервые в истории человечества возможности в передаче информации превысили его потребности: за 120 лет скорость передачи выросла от 0,1 бит/с для первых телефонных линий до 10 Тбит/с для волоконных линий со спектральным уплотнением. Однако информационные потребности общества будут расти, и уже сейчас рассматриваются возможности увеличения скорости передачи данных. Один из таких путей – расширение спектрального диапазона, используемого для передачи данных, от 1,53–1,61 мкм в настоящее время до 1,4–1,7 мкм к 2015 г. и 1,25–1,7 мкм к 2025 г. Можно ожидать, что скорость передачи информации достигнет 100 Тбит/с.

Брэгговские волоконные решётки

Одним из применений брэгговских волоконных решёток является их использование в качестве чувствительного элемента волоконно-оптических датчиков физических величин. Это применение основано на изменении длины волны отражения решётки при изменении температуры окружающей среды, а также под воздействием механических напряжений и деформации световода. Также решётки могут использоваться в качестве узкополосных спектральных фильтров. Но еще более широкое распространение эти элементы находят в волоконных лазерах в качестве зеркал, формирующих резонатор.

Одним из самых ярких достижений волоконной оптики является разработка и создание волоконных лазеров. В обычном лазере в качестве активной среды используется кристалл или стекло, легированное ионами элемента, который люминесцирует при оптическом возбуждении. В качестве таких элементов наибольшее распространение получили редкоземельные металлы – неодим, иттербий, эрбий и др. Для оптического возбуждения применяются мощные лампы или полупроводниковые излучатели. Для получения генерации активный элемент помещается в резонатор, образованный двумя зеркалами – глухим и полупрозрачным, – через которое выходит излучение. Такие лазеры требуют юстировки зеркал и их жёсткой фиксации. Кроме того, существуют проблемы, связанные с нагревом активной среды.

Конструкция существенно упрощается при переходе к волоконному лазеру. В нём активным элементом является волоконный световод, сердцевина которого легирована активными ионами, как правило, тех же редкоземельных металлов. В качестве зеркал, формирующих резонатор, используются внутриволоконные брэгговские решётки с различными коэффициентами отражения, которые просто привариваются к активному световоду. Накачивается такой лазер малогабаритным полупроводниковым излучателем с волоконным выходом, который также приваривается к лазеру. Таким образом, получается компактное и лёгкое устройство, простое в эксплуатации из-за отсутствия механических юстировок, обладающее эффективным теплоотводом из-за большой площади боковой поверхности и высоким качеством выходного излучения, обусловленным волноводным характером его распространения. Все эти факторы делают волоконный лазер надёжным и стабильным источником излучения. Следует подчеркнуть, что за последние 15 лет максимальная выходная мощность волоконных лазеров выросла с 5 до 2000 Вт в непрерывном режиме, а спектральный диапазон их излучения простирается от 0,9 до 2,2 мкм. Это позволяет применять волоконные лазеры для обработки материалов (резка, сварка, сверление), для проведения хирургических операций, зондирования атмосферы, лазерной локации и пр.

Таким образом, можно заключить, что благодаря созданию волоконно-оптических систем связи впервые в истории человечества технические возможности обмена информацией превысили (в настоящее время) потребности человеческого общества. На базе бурного развития волоконной оптики возникли новые направления – волоконные лазеры, волоконно-оптические датчики, медицинские применения волоконных световодов и др. Волоконная оптика является молодой областью науки. Развитие этой области позволит совершить дальнейший прорыв как в области передачи информации, так и в других областях человеческой деятельности.

Евгений Михайлович Дианов окончил физфак МГУ в 1960 г. В 1960–1983 гг. работал в Физическом институте им. П.Н.Лебедева АН СССР, в 1983–1994 гг. – в Институте общей физики РАН. Сейчас работает в Научном центре волоконной оптики РАН. Евгений Михайлович – лауреат Государственной премии СССР (1974 г.) и Государственной премии РФ (1998 г.). Он является автором более 600 публикаций по лазерной физике и волоконной оптике. Доктор физ.-мат. наук, профессор, академик РАН. Женат, имеет двоих детей. Увлечения – чтение, оздоровительный бег.

Андрей Сергеевич Курков окончил физфак МГУ в 1980 г. В 1980–1983 гг. работал на физфаке МГУ, в 1983–1994 гг. – в Институте общей физики РАН. С 1994 г. работает в Научном центре волоконной оптики РАН. Имеет более 170 публикаций. Доктор физ.-мат. наук. Женат, имеет сына. Увлечения – история России, прогулки в лесу, горные лыжи.

ОТ РЕДАКЦИИ. Рекомендуем прочитать также:

ВОЛОКО́ННАЯ О́ПТИКА, область науки и техники, связанная с исследованием распространения оптич. излучения по волоконным световодам (ВС), а также с их изготовлением и применением. Простейший ВС представляет собой тонкую нить из оптически прозрачного материала, сердцевина которой радиуса $а_1$ имеет показатель преломления $n_1$ , а оболочка радиуса $а_2$ имеет показатель преломления $n_2 (рис. 1). Поэтому лучи света, распространяющиеся под достаточно малыми углами к оси ВС, испытывают полное внутреннее отражение на поверхности раздела сердцевины и оболочки и распространяются только по сердцевине. В зависимости от назначения ВС диаметр сердцевины лежит в области от нескольких мкм до нескольких мм, а диаметр оболочки – от десятков до тысячи мкм. При изготовлении BC покрывают защитной оболочкой толщиной от нескольких мкм до десятков мкм обычно из полимерного материала. Число типов волн (мод), которые могут распространяться по ВС при заданной длине волны света $λ$ , определяется параметром

Волоконная оптика - наука о передаче данных, голоса, изображений, лазерного излучения путем прохождения света через тонкие прозрачные волокна. В телекоммуникациях волоконно-оптическая технология фактически заменила медный провод в междугородных телефонных линиях и используется для соединения компьютеров в локальных сетях. Оптоволокно также является основой фиброскопов, используемых при обследовании внутренних частей тела (эндоскопия) или обследовании внутренней части производимых конструкционных изделий.

Типичная структура волокна показана на рис.1.

Рис.1 – Структура оптоволокна: 1 – Сердцевина, 2 – Оболочка, 3 – Защитное покрытие

Сердцевина оптического волокна окружена диэлектрической оболочкой, отличающаяся показателем преломления. Показатель преломления сердцевины n₁ больше показателя преломления оболочки n₂. Для придания волокну прочности его покрывают полимерным или металлическим защитно-упрочняющим покрытием. Основу изготовления сердцевины и оболочки составляет сверхчистый кварц, легированный разными добавками. Эти добавки формируют профиль показателя преломления волокна.

Распространение света по сердцевине оптического волокна осуществляется за счет явления полного внутреннего отражения.

Рис.2 – Распространение света в оптоволокне

Из закона Снеллиуса минимальный угол, при котором достигается полное внутреннее отражение (ПВО):

(1)

Из (1) можно получить выражение для максимального угла входа

где

Предыдущее отношение определяет числовую апертуру:

где

Выделяют два основах типа волокна - многомодовое и одномодовое. В рамках этих категорий волокна идентифицируются по профилю показателя преломления (ступенчатый / градиентный) и диаметрам сердцевины / оболочки, выраженных в микронах, например, многомодовое волокно с градиентным показателем преломления 50/125 мкм.

В многомодовом волокне свет проходит по сердцевине в виде множества лучей, называемых модами. Оно имеет большую сердцевину (почти всегда 50 или 62,5 микрон), которая поддерживает распространение нескольких мод света. Мода – это траектория или путь распространения световых волн. Многомодовые волокна обычно используются со светодиодными источниками на длинах волн 850 и 1300 нм. Для более медленных локальных сетей (LAN) и лазеров на 850 (VCSEL) и 1310 нм (лазеры Фабри-Перо) для сетей, работающих со скоростью гигабит в секунду или больше.

Одномодовое волокно имеет гораздо меньшую сердцевину, всего около 9 микрон, так что свет распространяется только по одной траектории (моде). Оно используется для телефонии и кабельного телевидения с лазерными источниками на длине волны 1310 и 1550 нм, поскольку оно имеет более низкие потери и практически бесконечную полосу пропускания.

Рис.3 – Одномодовое/многомодовое волокно с разными профилями показателя преломления

Так же волокна подразделяются на активные и пассивные.

Активные волокна - это оптические волокна, содержащие в сердцевине волокна одну или несколько лазерно-активных добавок. Лазерно активные добавки – это редкоземельные элементы таблицы Менделеева, например, эрбий, иттербий. Благодаря этим добавкам активное волокно используется в качестве усиливающих сред для лазеров и волоконных усилителей.

Активные волокна обычно изготавливаются из стекла, в большинстве случаев из плавленого кварца.

Помимо способности усиливать свет, активные волокна обычно демонстрируют более высокие потери на распространение, которые, однако, не имеют большого значения, поскольку обычно требуется только относительно короткая длина волокна (десятки метров). В большинстве случаев это одномодовые или маломодовые волокна, а иногда и волокна с большой площадью моды или волокна с сохранением поляризации.

Пассивные волокна - это средство передачи излучения с небольшими потерями на распространение без усиления или преобразования информации. Обычно это означает, что они могут только пассивно передавать свет с некоторыми потерями на распространение без усиления оптической мощности. Однако в некоторых случаях возникают нелинейные механизмы усиления, основанные на вынужденном комбинационном рассеянии света или керровской нелинейности.

Также выделяют специальные волокна, одним из представителей которых являются микроструктурированные оптические волокна . Это новые типы волоконно-оптических кабелей. У них совершенно другая концепция использования света. В упомянутых выше типах оптических волокон свет распространяется за счет полного внутреннего отражения и показателей преломления сердцевины и оболочки. В микроструктурированных оптических волокнах физическая структура волновода используется на наномасштабном уровне для управления светом. Различные типы микроструктурированных оптических волокон

Фотонно- кристаллические волокна
Волокна с воздушной или двойной оболочкой
Волокна Френеля

Фотонно-кристаллическое волокно - это оптическое волокно, которое приобретает свои волноводные свойства не из-за пространственно меняющегося состава стекла, а из-за расположения очень крошечных и близко расположенных воздушных отверстий, которые проходят по всей длине волокна.

Рис.4 - Фотонно-кристаллическое волокно

Самый простой (и наиболее часто используемый) тип фотонно-кристаллического волокна имеет треугольный рисунок воздушных отверстий с отсутствующим одним отверстием (см. Рис. 4), то есть с твердым сердечником, окруженным массивом воздушных отверстий. Управляющие свойства этого типа волокна можно примерно понять с помощью модели эффективного показателя преломления: область с отсутствующим отверстием имеет более высокий эффективный показатель преломления, аналогичный сердцевине в обычном волокне.

Также к специальным волокнам относят:

Радиационно-стойкие волокна (из материалов, которые менее подвержены радиационному воздействию, используются, например, в космических приложениях и на ядерных установках.
Волокна с сохранением поляризации (РМ) различной конструкции (могут использоваться для поддержания состояния линейной поляризации на сколь угодно больших расстояниях распространения)
Конические волокна (вытянуты для получения уменьшенного диаметра волокна, который обычно изменяется по длине)
Волокна с очень большими или маленькими площадями мод (очень слабая или сильная нелинейность)

Изготовление оптического волокна включает три основные стадии:

Изготовление материнской заготовки
Изготовление заготовки оптического волокна
Вытяжка оптического волокна

Изготовление материнской заготовки на сегодняшний день возможен различными способами:

- внешнее осаждение прекурсоров на кварцевую трубу (VAD – vapor axial deposition, OVD – outside vapor deposition);

- внутренне осаждение прекурсоров внутри кварцевой трубы (MCVD – modified chemical vapor deposition);

- плазмохимические методы (PCVD – plasma chemical vapor deposition).

Общий принцип изготовления у всех методов одинаков: сначала необходимо нанести легирующие добавки в чистую трубу или стеклянную заготовку. Затем сжать ее до монолитного стержня. Этот монолитный стержень и я является материнской заготовкой для оптического волокна.

Рис. 5 – изготовление материнской заготовки методом MCVD

Изготовление заготовки оптического волокна

Для того чтобы вытянуть оптическое волокно, как правило, с материнской заготовкой проводят ряд подготовительных работ. В зависимости от выходных параметров ОВ материнскую заготовку могут перетянуть в меньший диаметр или провести жакетирование, т.е. увеличить диаметр. Таким образом, после получения удовлетворительных результатов по заготовке переходят к вытяжке оптического волокна.

Рис.5 – Процесс проверки заготовки

Основные сферы применения оптоволокна

Волоконно-оптические кабели находят множество применений в самых разных отраслях промышленности и науки. Ниже представлены лишь некоторые примеры сфер использования волоконно-оптических кабелей:

Волоконно-оптическая связь произвела революцию в телекоммуникационной отрасли. Он также получил широкое признание в сетях передачи данных. Используя оптоволоконный кабель, оптическая связь позволила установить телекоммуникационные линии на гораздо большие расстояния и с гораздо меньшими уровнями потерь в среде передачи и, что, возможно, наиболее важно, оптоволоконная связь позволила обеспечить гораздо более высокие скорости передачи данных.

Наиболее важные и распространенные применения в медицине - это компоненты эндоскопов для визуализации и освещения. Гибкие и жесткие мультиволокна, состоящие из волокон со ступенчатым профилем показателя преломления и волокна для визуализации с градиентным профилем показателя преломления, широко используются для визуализации внутренних органов и тканей, которые доступны через естественные отверстия или чрескожно. Другие применения оптоволокна в медицине включают дистанционную спектрофотометрию, измерение давления и положения или счет сцинтилляций.

Распределенное зондирование - это технология, которая позволяет проводить непрерывные измерения в реальном времени по всей длине оптоволоконного кабеля.

Распределенный Акустический Датчик (DAS) измеряет акустическое посредством отслеживания обратного отражения посылаемого в волокно оптического сигнала. Затем датчик анализирует время между отправлением лазерного импульса и получением отраженного сигнала и измеряет акустический сигнал во всех точках по длине волокна.

Распределенный Температурный Датчик (DTS) отправляет в волокно серию субнаносекундных импульсов. При прохождении по волокну часть излучения рассеивается за счет Рэлеевского рассеяния, которое не зависит от температуры, а часть благодаря эффекту Рамана, и эта часть рассеяния зависит от температуры. Температура во всех точках по длине оптоволокна определяется путем записи отраженного Рамановским рассеянием света как функции времени.

Волоконный лазер - это лазер, в котором в качестве активной среды используется оптическое волокно, легированное редкими элементами; обычно эрбий, иттербий, неодим, тулий, празеодим, гольмий или диспрозий.

Используется для подключения пользователей и серверов в различных сетевых настройках и помогает повысить скорость и точность передачи данных.

Радиовещательные / кабельные компании используют оптоволоконные кабели для подключения кабельного телевидения, телевидения высокой четкости, Интернета и других приложений.

В последние десятилетия оптоволоконные микрорезонаторы с модами шепчущей галереи (WGM) привлекли большое внимание благодаря своим замечательным свойствам, таким как чрезвычайно высокая добротность, малый объем моды, жесткое ограничение мод и сильное затухающее поле.

Все эти свойства микрорезонаторов WGM обеспечили их большой потенциал для приложений, таких как физические датчики, био / химические датчики и микролазеры.

WGM особенно подходящими для изучения режима генерации, нелинейной и квантовой оптики, обработки оптической информации, оптомеханику, зондирование, фундаментальную физику и т. д.

Лучи в свободном пространстве не могут быть использованы для эффективного возбуждения мод с высоким-фактором из-за рассогласования фаз между модами пучка и резонатора. В качестве альтернативы, условие фазового синхронизма может быть выполнено с использованием связи с затухающей волной, достигаемой, например, с помощью призмы, волокна с боковой полировкой, сужающегося (конического) волокна. Последнее широко используется, так как оно обеспечивает интегрированное в волокно решение проблемы связи, а также достижима связь, близкая к идеальной.

Рис.6 - Волоконно-оптические компоненты для сетей FTTH

В заключение хочется отметить, что оптоволоконные технологии используются во многих областях телекоммуникаций, фотоники, медицины и инженерии. Она привлекла многих исследователей своей производительностью, низкими потерями, отсутствием помех, более высокой пропускной способностью и изначально высокой пропускной способностью данных.

Оптоволоконная связь произвела революцию в нашем мире - от хирургических процедур до связи по всему миру через Интернет. Развитие этой области внесло важный вклад в медицину, особенно в области хирургии. Одна из наиболее полезных характеристик оптических волокон - их способность проникать в мельчайшие проходы и труднодоступные участки человеческого тела. Но, возможно, самый большой вклад 20-го века - это сочетание волоконной оптики и электроники в преобразовании телекоммуникаций.

Оптоволокно используется для подключения пользователей и серверов в различных сетевых настройках и помогает повысить скорость и точность передачи данных. Они также используются в вооруженных силах в качестве гидрофонов для сейсмических исследований и использования SONAR, в качестве проводки в самолетах, подводных лодках и других транспортных средствах, а также для полевых сетей. Радиовещательные / кабельные провайдеры используют оптоволоконные кабели для подключения кабельного телевидения, телевидения высокой четкости, Интернета и других приложений. В промышленности и компаниях оптоволокно используется для получения изображений, в качестве проводки, где возникают проблемы с электромагнитными помехами, в качестве сенсорных устройств для измерения температуры, давления и других измерений.

Оптические волокна также широко используются в осветительных приборах. Они используются в качестве световодов в медицинских и других приложениях, где яркий свет должен попадать на цель без прямой видимости. В некоторых зданиях оптические волокна направляют солнечный свет с крыши в другие части здания. Оптоволоконное освещение также используется в декоративных целях, в том числе в искусстве.

Читайте также: