Реферат на тему волоконная оптика и ее применение

Обновлено: 05.07.2024

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:

Оптические волокна показывают пример того, как научные знания переходят в технологический прогресс, в конечном итоге облегчая жизнь обычного человека. С волоконной оптикой уже несколько лет связаны коммуникационные средства передачи электрических сигналов. Тонкие нити размером с человеческий волос могут использоваться для передачи широкого спектра сигналов, которые требуются для работы телефона, интернет-соединения, телевизора и т. д. Разумеется, благодаря высоким эксплуатационным возможностям волоконная оптика нашла применение не только в бытовых нуждах.

Технология передачи сигнала через оптоволокно

Само по себе использование оптоволокна в качестве транслятора сигналов – лишь часть раскрытого знания, которые исследуются в научном разделе волоконной оптики. Специалисты этого направления занимаются изучением передачи информации и распространения света, причем в одном контексте, объединенном световодами. Последние используются и в качестве распространителей света, и как передатчики информации. К слову, на светодиодах же основываются современные направления развития лазерных технологий. В данном же случае интереснее другой вопрос – какое явление заложено в основу волоконной оптики? Это явление внутреннего отражения (полного) электромагнитного излучения в границах раздела диэлектриков, имеющих различные показатели преломления. Причем носителем информации выступает вовсе не электромагнитный сигнал, а закодированный световой поток. Для понимания степени превосходства оптоволоконных кабелей перед традиционными металлическими стоит еще раз обратиться к их пропускной способности. Уже упомянутая волоконная нить, толщина которой составляет не более 0,5 мм, способна передавать объем информации, который обычная медная проводка обслужит только при толщине в 50 мм.

Методы изготовления оптоволокна

Существует два основных метода, по которым может изготавливаться оптическое волокно. Это техника экструзии и плавление с использованием преформ. Первая технология позволяет получать материал низкого качества на основе пластиков, поэтому сегодня ее практически не используют. Второй метод считается основным и наиболее эффективным. Преформа – это заготовка, находящаяся в конструкции, предназначенной для вытяжки нитей. По современным стандартам преформы могут иметь высоту до нескольких десятков метров. Внешне это стеклянный стержень диаметром порядка 10 см, из которого выплавляется сердцевина нити. В процессе изготовления стержень вместе со смесью для волокон нагревается до высоких температур, после чего происходит формование нитей. Длина получаемого материала может достигать нескольких километров, хотя диаметр при этом остается неизменным – его контролируют автоматизированные регуляторы. В зависимости от того, где будет применяться волоконная оптика, материал для нее предварительно может обрабатываться покрытиями, обеспечивающими химическую и физическую защиту. Что касается самих смесей для нитей, то в их состав обычно входят такие материалы, как полиимид, акрилат и силикон.

Конструкционные особенности оптоволокна

Центральную часть нити представляет ядро – та самая сердцевина волокна, которая и будет распространять свет в процессе эксплуатации. Ядро характеризуется повышенными показателями преломления света, что достигается при использовании легирования стекла с модификацией специальными добавками. Например, для кварцевых волокон используют типичные преломляющие компоненты наподобие допанта. В свою очередь, оболочка выполняет несколько задач, главной из которых является непосредственная физическая защита сердцевины. Данная часть также обеспечивает эффект преломления, но с минимальным коэффициентом. Граница между двумя материалами формирует световодную структуру, которая не позволяет основному объему света выходить за пределы ядра. Также стоит отметить, что основы волоконной оптики относят материал к разновидностям световодов. Если быть точнее, то речь идет о диэлектрических волноводах, передающих световые сигналы.

Разновидности оптических волокон

Наиболее распространены кварцевые, пластиковые и флюоридные волокна. Кварцевые нити основываются на расплавах оксида или похожих по структуре материалах, среди которых допированный оксид кремния. Данная основа позволяет изготавливать гибкие и длинные волокна, отличающиеся при этом и высокой механической прочностью. Пластико-волоконная оптика производится из полимеров и, как уже отмечалось, не может обеспечивать высокие эксплуатационные показатели. В частности, такие нити имеют большой процент потери данных, что ограничивает их применение в требовательных сферах. С другой стороны, ценовая доступность пластиковых волокон сохраняет спрос на этот материал в направлениях, ориентированных на бытовой сегмент. Что касается флюоридных оптических материалов, то их основа базируется на фторцирконатном и фторалюминатном стеклах. Это вполне современные и технологичные решения для обеспечения оптической коммуникации, но содержание тяжелых металлов в структуре тоже не позволяет их использовать, например, в медицинской отрасли.

Измерительное оборудование для оптоволокна

Самым распространенным оборудованием, которое используется в комплектах с оптическим волокном, являются датчики и брэгговские решетки. Оптоволоконные датчики – это устройства, предназначенные для фиксации некоторых значений, характеризующих состояние материала в данный момент. Например, разные датчики могут определять механическое напряжение, температуру, вибрации, давление и другие величины. Брэгговская решетка по своей функции более приближена именно к оптическим характеристикам. Она фиксирует в сердцевине оптоволокна апериодическое возмущение преломления. Данное измерение позволяет определять, насколько волоконная оптика эффективна при трансляции сигнала в конкретных условиях. Также специалисты применяют оптический рефлектометр, регистрирующий показатели рассеивания и сопротивления.

Оптоволоконные усилители и лазеры

Это наиболее прогрессивная продукция, которую разрабатывают на базе технологии волоконной оптики. В отличие от лазеров других типов, использование оптических нитей позволяет создавать компактные и в то же время эффективные аппараты. В частности, технология волоконной оптики позволила заменить классические лазерные приборы благодаря следующим преимуществам:

Эффективность теплового отвода.
Повышенные показатели выходного излучения.
Эффективная накачка.
Высокая надежность и стабильность работы лазера.
Небольшая масса оборудования.

В свою очередь, усилители в зависимости от типа могут применяться и в домашних сетевых линиях, повышая рабочие показатели основной волоконной линии. Впрочем, сферы эксплуатации оптоволокна стоит рассмотреть подробнее.

Для чего используется волоконная оптика?

Можно выделить несколько направлений, в которых задействуются оптоволоконные материалы. Это сфера бытового применения, телекоммуникационное оборудование и компьютерная техника, а также узкоспециализированные ниши, среди которых отдельные направления медицины. Для каждого из этих сегментов производится специальная волоконная оптика. Применение в качестве типового средства передачи ТВ- или интернет-сигнала, к примеру, ограничивается дешевыми пластиковыми моделями среднего качества. Но для лазерного оборудования и дорогостоящих медицинских аппаратов используют высококачественные кварцевые волокна, обеспеченные также дополнительными модификаторами.

Применение оптоволокна в медицине

Такие волокна могут использоваться в медицинском оборудовании и инструментах. Стандартная технология предполагает возможность введения специального аппарата на преломляемых световых волокнах, которые уже в самом органе тела могут передавать сигнал на внешнюю телекамеру. Применяется волоконная оптика в медицине и как осветительный материал. Аппараты, снабженные волоконными модулями, позволяют безболезненно подсвечивать полости желудка, носоглотки и т.д.

Применение оптоволокна в компьютерном оборудовании

Пожалуй, это наиболее распространенная ниша, в которой нашло свое место оптоволокно. Без него сегодня уже не обходятся линии связи между отдельными устройствами, передающие информацию. Разумеется, это касается тех областей, в которых невозможно или нецелесообразно применение беспроводных соединений, которые также активно вытесняют кабели как таковые. Например, крупнейшие телекоммуникационные компании прокладывают межрегиональные магистральные сети, в которых задействуется волоконная оптика. Использование таких каналов для связи периферийного оборудования и обычных потребителей телекоммуникационных услуг позволяет оптимизировать финансовые расходы на обслуживание сетевой инфраструктуры, а также повышает эффективность самой передачи данных.

Недостатки оптоволокна

К сожалению, оптические нити не обходятся и без слабых мест. Хотя содержание такой проводки обходится дешевле, не говоря об отсутствии необходимости частого обновления, стоимость самого материала гораздо выше тех же металлических аналогов. Кроме того, волоконная оптика и ее использование в медицине крайне ограничено из-за содержания в отдельных сплавах свинцовых и циркониевых примесей, токсически опасных для человека. В основном это касается именно самых высококачественных стеклянных моделей, а не пластковых.

Производство оптоволокна в России

Заключение

Оптоволоконная продукция формируется как сегмент рынка уже порядка 15-20 лет. За эти годы потребитель смог высоко оценить достоинства новых кабелей, однако прогресс не стоит на месте. По мере повышения технико-физических качеств расширяются и области применения материала. Новейшее оптоволокно на основе нанотехнологий, в частности, активно используют в нефтегазодобывающей промышленности и оборонном комплексе. В свою очередь, нелинейная волоконная оптика развивает пока только концептуальные, но весьма перспективные направления технологии. Среди них можно выделить компрессионные лазерные импульсы, оптические солитоны, ультракороткие оптические излучения и т.д. Очевидно, что кроме теоретических исследований с возможными открытиями и в рамках сугубо научного знания, новые разработки позволят и на рынке сделать новые предложения потребителям разного уровня.

Оптическое волокно считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния.

В настоящее время волоконно-оптические кабели проложены по дну Тихого и Атлантического океанов и практически весь мир "опутан" сетью волоконных систем связи (Laser Mag.-1993.-№3; Laser Focus World.-1992.-28, №12; Telecom. mag.-1993.-№25; AEU: J. Asia Electron. Union.-1992.-№5). Европейские страны через Атлантику связаны волоконными линиями связи с Америкой. США через Гавайские острова и остров Гуам - с Японией, Новой Зеландией и Австралией. В сеть тихоокеанских ВОЛС вошли Тайвань, Гонконг, Малайзия, Сингапур, Филиппины, Бруней, Тайланд, а также Корея и КНР. Волоконно-оптическая линия связи соединяет Японию и Корею с Дальним Востоком России. На западе Россия связана с европейскими странами ВОЛС С.-Петербург - Кингисепп - Дания и С.-Петербург - Выборг - Финляндия, на юге - с азиатскими странами ВОЛС Новороссийск - Турция. В Европе, также, как и в Америке, ВОЛС давно уже нашли самое широкое применение практически во всех сферах связи, энергетики, транспорта, науки, образования, медицины, экономики, обороны, государственно-политической и финансовой деятельности.

ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО КАК СРЕДА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Оптическое волокно (ОВ) является средой передачи информации в оптических системах связи. Первое оптическое волокно с потерями 20 дБ/км (на длине волны 0.633 мкм) было изготовлено фирмой Corning Glass Works в 1970 г. Однако прогресс в этой области был настолько стремителен, что уже в 1972 г. потери в ОВ достигли 4 дБ/км, а современные волокна имеют потери менее 0.2 дБ/км (на длине волны 1.55 мкм). Причем столь малые потери сигнала сохраняются в очень широком диапазоне частот модуляции света и уменьшение амплитуды сигнала с ростом частоты модуляции обусловлено дисперсией, которая для современных волокон со смещенной дисперсией составляет величину порядка 3 пс/нм.км. Таким образом, полоса пропускания собственно волокна может превышать 100 ГГц.км. Изначально волокно, получаемое в процессе изготовления, было исключительно хрупким. Для его функционирования в качестве надежного высококачественного компонента системы, волокно не должно иметь изъянов и быть защищенным от механического воздействия. Перед ведущими учеными всего мира в течение многих лет стояла, в качестве основной, сложная задача развития технологии производства для достижения высокой механической прочности, надежности и высококачественных передаточных характеристик оптических волокон. Эти задачи в настоящее время успешно решены. Современное волокно может быть завязано в узел диаметром 5 мм и при этом не разрушается. Технические же характеристики современных ОВ в плане передачи информации настолько высоки, что они находятся вне конкуренции с другими средами передачи данных. Развитие поколений волоконной оптики шло следующим образом:

Длина волны 0,85 mм,

Многомодовое градиентное волокно,

AlGaAs/GaAs светодиодный или лазерный передатчик, кремниевый детектор.

Системы второго поколения (1983>):

Длина волны 1,3 mм,

InGaAsP/InP лазерный (или светодиодный) передатчик, Ge детектор.

Системы третьего поколения (1989>):

Длина волны 1,3 mм, 1,55 mм,

Одномодовое волокно (также волокно со смещенной дисперсией),

InGaAsP/InP лазерный передатчик, InGaAsP/InP детектор.

Конструкция оптического волокна

Оптическое волокно состоит из световедущей сердцевины, окруженной оболочкой, у которых разные показатели преломления.

Оба элемента производятся из высокочистого кварцевого стекла. Полученное в процессе вытяжки оптическое волокно затем покрывается одним или двумя слоями защитного пластикового покрытия, распространенным материалом для которого является акрилат. От покрытия зависит прочность волокна. В основе распространения света по сердечнику лежит принцип полного внутреннего отражения, который реализуется за счет того, что коэффициент преломления сердечника выше коэффициента преломления оболочки. На входе волоконно-оптического тракта модулируемый источник света преобразует входные электрические сигналы в модулированный (как правило по интенсивности) свет, который распространяется по волокну, связанному с источником. На другом, принимающем конце линии оптические сигналы преобразуются фотодетектором обратно в электрические сигналы. На линиях большой протяженности иногда используются регенераторы, состоящие из приемника, усилителя и передатчика. В современных Волоконно Оптических Линиях Связи также находят применение оптические усилители.

В многомодовом волокне размер световодной жиды порядка 50-60мкм, что делает возможным распространение большого числа лучей (много мод) (рис.2).

Оба типа волокна характеризуются двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией. Затухание обычно измеряется в дБ/км и определяется потерями на поглощение и на рассеяние излучения в оптическом волокне. Потери на поглощение зависят от чистоты материала, а на рассеяние - от неоднородностей показателя преломления материала.

Другой важнейший параметр оптического волокна - дисперсия. Дисперсия - это рассеяние во времени спекртальных и модовых составляющих оптического сигнала. Существует три типа дисперсии:

модовая дисперсия - присуща многомодовому волокну и обусловлена наличиембольшого числа мод, время распространения которых различно.

материальная дисперсия - обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны.

волноводная дисперсия - обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью скорости распространения моды от длины волны.

Поскольку светодиод или лазер излучает некоторый спектр длин волн, дисперсия приводит к уширению импульсов при распространению по волокну и тем самым порождает искажения сигналов. При оценке пользуются термином "полоса пропускания" - это величина, обратная к величине уширения импульса при прохождении им по оптическому волокну расстояния в 1 км. Измеряется полоса пропускания в МГц*км. Из определения полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничение на дальность передачи и на верхнюю частоту передаваемых сигналов.

Если при распространении света по многомодовому волокну как правило преобладает модовая дисперсия, то одномодовому волокну присущи только два последних типа дисперсии. На длине волны 1.3 мкм материальная и волноводная дисперсии в одномодовом волокне компенсируют друг друга, что обеспечивает наивысшую пропускную способность.

Затухание и дисперсия у разных типов оптических волокон различны. Одномодовые волокна обладают лучшими характеристиками по затуханию и по полосе пропускания, так как в них распространяется только один луч. Однако, одномодовые источники излучения в несколько раз дороже многомодовых. В одномодовое волокно труднее ввести излучение из-за малых размеров световодной жилы, по этой же причине одномодовые волокна сложно сращивать с малыми потерями. Оконцевание одномодовых кабелей оптическими разъемами также обходится дороже.

Многомодовые волокна более удобны при монтаже, так как в них размер световодной жилы в несколько раз больше, чем в одномодовых волокнах. Многомодовый кабель проще оконцевать оптическими разъемами с малыми потерями (до 0.3 dB) в стыке. На многомодовое волокно рассчитаны излучатели на длину волны 0.85 мкм - самые доступные и дешевые излучатели, выпускаемые в очень широком ассортименте. Но затухание на этой длине волны у многомодовых волокон находится в пределах 3-4 dB/км и не может быть существенно улучшено. Полоса пропускания у многомодовых волокон достигает 800 МГц*км, что приемлемо для локальных сетей связи, но не достаточно для магистральных линий.

Параметры оптических волокон

Геометрические параметры оптических волокон.

Среди геометрических параметров ОВ выделяют параметры кварцевого световода и параметры покрытия. Первые являются наиболее существенными и определяют тип световода. Наиболее важный параметр ОВ - диаметр сердцевины, поскольку геометрические размеры и профиль показателя преломления сердцевины определяют модовый состав ОВ. Под диаметром сердцевины понимают диаметр центральной области ОВ с высоким значением показателя преломления. Под диаметром сердцевины понимают диаметр по уровню 0.1 от максимального значения коэффициента преломления (на оси ОВ). Структура ОВ с указанием типичных параметров показана на рис.4.

Рис.4. Структура оптического волокна

Кроме вышеперечисленных, к геометрическим параметрам относятся: длина волоконного световода, некруглость (овальность) сердцевины (для МОВ), некруглость (овальность) оболочки, неконцентричность (некоаксиальность, концентричность, коаксиальность) сердцевины и оболочки, концентричность (коаксиальность, неконцентричность, некоаксиальность) покрытия.

Оптические параметры волокон.

К оптическим параметрам ОВ отнесем следующие характеристики:

- коэффициент (показатель) преломления сердцевины и оболочки

- разность показателей преломления

- относительная разность показателей преломления

- групповой показатель преломления, эффективный групповой показатель преломления

- профиль показателя преломления

- диаметр модового поля (для ООВ)

- числовая апертура, длина волны среза (для ООВ)

Коэффициент преломления является одной из основных физических характеристик оптических сред и равен корню квадратному из относительной диэлектрической проницаемости среды для электромагнитных волн оптического диапазона. Естественно, показатель преломления зависит от химического состава вещества и имеет различное значение для разных длин волн распространяющегося света. Так для чистого кристаллического кварца в диапазоне длин волн 185 - 3000 нм показатель преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей меняется от1.676 до 1.499 и от1.689 до 1.507 соответственно.

В оптических волокнах применяется плавленый кварц, а необходимый показатель преломления достигается путем легирования кварца. Типичные значения показателя преломления лежат в диапазоне 1.46 - 1.47. При этом отличие показателя преломления сердцевины от показателя преломления оболочки составляет порядка 1% для многомодовых ОВ и менее 0.4% для одномодовых. Общепринятые обозначения для показателя преломления сердцевины - n1, оболочки - n2. Разность показателей преломления сердцевины n1 и оболочки n2 имеет типовое значение порядка 0.01 для МОВ, менее 0.004 для ООВ, обозначается Dn и вычисляется по формуле:

где n1 - максимум показателя преломления сердцевины ОВ,
n2 - показатель преломления оболочки.

Под относительной разностью показателей преломления D понимают величину, равную отношению разности показателей преломления сердцевины и оболочки к показателю преломления сердцевины:

Эффективный групповой показатель преломления. В волоконно-оптических линиях связи передаются импульсные сигналы, обладающие достаточно сложным спектром. При этом каждая волна, соответствующая некоторой спектральной составляющей, движется со своей фазовой скоростью Vф. В результате волновой пакет, или импульс, движется с групповой скоростью Vгр. Для распространения импульса в бесконечной среде с показателем преломления n верны следующие соотношения:

Vф = c/n, (2.5) Vгр = c/nгр , (2.6) nгр = n - l(dn/dl), (2.7)

где l и c - длина волны и скорость света в вакууме,
nгр - групповой показатель преломления,
dn/dl - производная показателя преломления по длине волны света.

Аналогично для световода эффективный групповой показатель преломления вводится как коэффициент, показывающий во сколько раз скорость распространения импульсных сигналов по световоду меньше скорости света в вакууме. При этом групповая скорость для m-й моды ОВ вычисляется как производная угловой частоты света по постоянной распространения m-й моды:

Vгр = dw/dbm = - (2pc/l2) Ч (dl/dbm),

где w - угловая частота света,
bm - постоянная распространения m-й моды.

Первые (многомодовые) ОВ изготавливались с Профилем Показателя Преломления (ППП) в виде ступенчатой функции, показанной на рис.5а). Следующим шагом в развитии технологии производства световодов было изготовление ОВ с градиентным ППП (рис.5б)), обладающих существенно меньшей межмодовой дисперсией и, как следствие, более чем на порядок увеличенной полосой пропускания (десятки МГц/км для ступенчатых МОВ и порядка одного ГГц/км для градиентных МОВ). В градиентных МОВ, также как и в ступенчатых, диаметр сердцевины составляет 50 мкм, однако, показатель преломления изменяется плавно, по закону, близкому к параболическому. Как было показано в многочисленных исследованиях, именно такой ППП обеспечивает минимальное дисперсионное искажение сигнала. Этот факт подробнее будет рассмотрен позже при обсуждении дисперсионных характеристик ОВ.

Рис.5. Профиль показателя преломления МОВ ( а), б) ) и ООВ ( в), г)).

Среди одномодовых ОВ можно выделить волокна с несмещенной и со смещенной дисперсией, для которых ППП существенно отличается - рис.5в) и рис.5г) соответственно.

Диаметр модового поля.

Радиальная зависимость амплитуды поля фундаментальной моды HE11 (LP01) одномодового ОВ носит плавно спадающий характер и близка к гауссовому закону (рис.6б)). Под диаметром модового поля понимают удвоенное расстояние между точкой на сечении ОВ, в которой амплитуда поля моды максимальна и точкой, в которой амплитуда поля моды меньше максимального значения в е (е = 2.718) раз.

Рис.6. Распределение интенсивности по сечению а) и радиальное распределение поля E б) для мод LP01 и LP11; в) - срез ОВ (соотношение диаметра сердцевины и оболочки не соблюдено).

Погрешность концентричности модового поля определяется как расстояние (на сечении ОВ) между центром модового поля и центром окружности сечения внешней поверхности оболочки ОВ. Погрешность концентричности модового поля измеряется в абсолютных величинах и не должна превышать 1 мкм.

Числовая апертура.

Для многомодовых волокон числовая апертура NA определяется как синус наибольшего угла Jm меридианного луча, который может направляться волокном:

Здесь Jm - угол в свободном пространстве относительно оси ОВ, т.е. угол ввода оптического излучения в ОВ. Меридианный луч - луч, лежащий в плоскости оси ОВ. Числовая апертура может быть рассчитана через показатели преломления сердцевины n1 и оболочки n2:

В заключении хотелось бы привести один интересный пример изготовления оптических волокон на основе фотонных кристаллов.

В настоящее время известны два типа волоконных световодов со структурой фотонных кристаллов. Это волоконные световоды со сплошной световедущей жилой, о которых упоминалось выше, и волоконные световоды с полой световедущей жилой. В России и те, и другие называются дырчатыми волокнами, хотя на самом деле между ними существует важное различие в механизмах, обеспечивающих волноведущие свойства световодов.

Дырчатый световод со сплошной световедущей жилой представляет собой сердцевину из кварцевого стекла в оболочке из фотонного кристалла (кварцевое стекло с воздушными полостями-каналами), имеющей более низкий средний коэффициент преломления по отношению к жиле. Поэтому волноведущие свойства таких световодов обеспечиваются одновременно двумя эффектами: полного внутреннего отражения, как в обычных световодах, и зонными свойствами фотонного кристалла. Наличие оболочки в виде фотонного кристалла существенно отличает дырчатые волокна от обычных волоконных световодов.

Рис. 7. Поперечное сечение дырчатого волокна со сплошной световедущей жилой в центре

Рис. 8. Поперечное сечение дырчатого волокна с полой световедущей жилой

Дырчатые световоды с большим диаметром световедущей жилы также могут использоваться в качестве среды передачи световых потоков высокой интенсивности.

Благодаря своим уникальным дисперсионным свойствам, дырчатые световоды уже находят свое применение в качестве компенсаторов дисперсии в волоконных системах связи. Они достаточно легко и с малыми потерями привариваются к стандартному оптическому волокну и совмещаются с другими элементами волоконно-оптических систем.

В дырчатом волокне с малыми размерами соответствующей жилы снижаются пороги всех нелинейных эффектов, что представляет большой интерес для создания эффективных рамановских лазеров и усилителей, генераторов континуума и оптических переключателей. Очень привлекательной является идея создания генератора суперконтинуума -- источника белого света с очень высокой энергетической яркостью. Такие источники могут применяться в DWDM-системах, а также в спектроскопии и метрологии.

Технология изготовления дырчатых волоконных световодов с полой световедущей жилой практически не отличается от технологии аналогичных световодов со сплошной световедущей жилой. Основное отличие этого волокна заключается в том, что световедущая жила представляет собой не кварцевый стержень, а воздушную полость с диаметром, превышающим диаметр d регулярных воздушных каналов в оболочке (рис. 8). Такая структура может направлять излучение видимого и ближнего ИК диапазонов. В этом случае волноводный режим обеспечивается исключительно зонной структурой фотонного кристалла. Свойства дырчатых световодов с полой световедущей жилой (потери, дисперсионные и нелинейные характеристики) изучены недостаточно. Ясно лишь то, что свет в таких световодах, в отличие от стандартных, распространяется преимущественно в полой сердцевине, а не по кварцу. Казалось бы, что потери в таких световодах должны быть очень низкими, так как материальное поглощение и релеевское рассеяние в воздухе ничтожны по сравнению с кварцевым стеклом.

Дырчатые световоды со сплошной световедущей жилой в ближайшие годы могут найти практическое применение в широкополосных волоконно-оптических сетях в качестве среды передачи оптических сигналов и функциональных устройств волоконных сетей связи.

Мы рассмотрели строение и основные характеристики оптических волокон. Хотелось бы добавить что оптические волокна применяются еще и для получения всевозможных световых эффектов в частности: световое оформление, дизайн, реклама. Широкому применению способствует безопасность применения элементов волокна. Кроме того их используют в различных медицинских приборах таких как зонды. Использование таких волокон позволяет улучшить угол зрения прибора до 120 градусов, а угол поворота расширить до 4-х направлений.

Еще оптическое волокно широко используется при создании локальных вычислительных сетей, а в оптических линиях связи благодаря оптическим волокнам очень низкий уровень шумов, соответственно выше качество.

Анализируя вышеизложенные особенности оптических волноводов, мы убедились, что есть основания считать, что Оптическое волокно считается не только самой совершенной физической средой для передачи информации, но и самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния.

Авторы: курсант 615 учебного отделения ОРДИН Д.А.
курсант 615 учебного отделения ТРУШКИН А.В.

Научный руководитель: КОНСТАНТИНОВАА.А.

Санкт-Петербург
2014
Содержание

1. Введение
2. Волоконно-оптические линии связи как понятие
3. Физические особенности
4. Технические особенности
5. Основные составляющие элементы оптоволокна
6. Есть в волоконной технологии и свои недостатки
7. Оптическое волокно и его виды
8. Волоконно-оптический кабель
9. Области применения иклассификация волоконно-оптических кабелей (ВОК)
10. Электронные компоненты систем оптической связи
11. Передающие оптоэлектронные модули
12. Светоизлучающие диоды
13. Лазерные диоды
14. Волоконные световоды
15. Дисперсия и пропускная способность
16. Заключение
17. Список используемой литературы

Введение
С начала развития компьютерной техники прошло немного немало-шестьдесят лет. За это время мы получилитакие скорости вычислений, такие скорости передачи данных, о которых шестьдесят лет тому назад нельзя было и мечтать. Все началось с того, что в 1948 году вышли книги К. Шеннона“Математическая теория связи”и Н. Винера“Кибернетика, или управление и связь в животном и машине ”. Они и определили новый вектор развития науки, в результате чего появился компьютер: вначале ламповый гигант, затемтранзисторный и на интегральных схемах, на микропроцессорах. И вот в 1989 году появился персональный компьютер IBM. В том же году вышла программаMS - DOS, а в 1990 - Windows-3. 0, и далее пошло стремительное совершенствование“железа” и программного обеспечения. К концу столетия человечество получило потрясающую миниатюризацию компьютерной техники, сокращения расстояния между компьютером и человеком, тотальноепроникновение компьютерных технологий в бытовую сферу. 1986 год - рождение Интернета, глобальной сети, охватившей практически все страны мира, поставляющей каждому пользователю текущую информацию. Получив настолько быструю обработку данных, люди пришли к выводу, что можно перестать терять время и деньги, также на передачу этих данных, а также увеличить скорость доступа, и скорость передачу данных. Этостало возможным благодаря использованию новых видов связи, таких как оптическое волокно, пришедших на замену банальным алюминиевым и медным проводам.
История развития волоконно-оптических линий связи началась в1965-1967
г г. , волноводные линии связи для передачи широкополосной информации, а также криогенные сверхпроводящие кабельные линии с малым затуханием.
С 1970 г. активно развернулись работы посозданию световодов и оптических кабелей, использующих видимое инфракрасное излучение оптического диапазона волн.
Тема об оптоволоконной линии связи, является актуальной на данный момент времени, так как число людей на планете растет, и потребности в улучшение жизни то же увеличиваются. Ещё с древних времён человек совершенствуется: улучшает свои знания, стремится улучшить жизнь, создавая имоделируя предметы быта. И сейчас многие фирмы создают телевизоры, телефоны, магнитофоны, компьютера и многое другое, то есть - бытовую технику, которая упрощают жизнь человека. Но для внедрения этих новых технологий нужно изменять или улучшать старое. В пример этому можно привести наши линии связи на коаксиальном(медном) кабеле, про которые уже было.

Читайте также: