Оптическое волокно: различия между версиями
| [непроверенная версия] | [отпатрулированная версия] |
Содержимое удалено Содержимое добавлено
м откат правок 95.53.251.26 (обс) к версии Draa kul |
|||
Строка 1:
{{не путать|Стекловолокно|стекловолокном}}
{{другие значения термина|волокно|Волокно}}
[[Файл:Fibreoptic.jpg|thumb|right|350px|Пучок оптических волокон]]
'''Опти́ческое волокно́''' — нить из [[оптика|оптически]] прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса [[свет]]а внутри себя посредством [[полное внутреннее отражение|полного внутреннего отражения]].
[[Волоконная оптика]] — раздел прикладной науки и машиностроения, описывающий такие волокна. Кабели на базе оптических волокон используются в [[Волоконно-оптическая связь|волоконно-оптической связи]], позволяющей передавать информацию на бо́льшие расстояния с более высокой скоростью передачи данных, чем в электронных средствах связи<ref>Коробейников А. Г., Гатчин Ю. А., Дукельский К. В., Тер-Нерсесянц Е. В.//[http://ntv.ifmo.ru/ru/article/4114/problemy_proizvodstva_vysokoprochnogo_opticheskogo_volokna.htm Проблемы производства высокопрочного оптического волокна].- Статья. - УДК 681.7.- Научно-технический вестник ИТМО. - выпуск 2(84). - март-апрель 2013</ref>. В ряде случаев они также используются при создании [[датчик]]ов.
== 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 приемник оптического сигнала. {{нет АИ|22|07|2013}}
Повсеместному переходу на технологии ВОЛС мешали высокие затухания в оптическом волокне, поэтому конкуренция с медными линиями была невозможна. Только к 1970 г. компании {{нужен перевод|:en:Corning Incorporated|Corning Incorporated|Corning}} удалось наладить коммерческое производство волокна с низким затуханием — до 17 [[Децибел|дБ]]/[[километр|км]], через пару лет — до 4 дБ/км. Волокно являлось многомодовым и по нему передавалось несколько [[Мода (оптика)|мод]] света. К 1983 году был освоен выпуск одномодовых волокон, по которым передавалась одна [[Мода (оптика)|мода]].
В России первые волоконно-оптические линии появились в Москве. Первой подводной ВОЛС стала магистраль Санкт-Петербург — Аберслунд (Дания), проложенная АО «Совтелеком» (ныне [[ОАО «Ростелеком»]]<ref>http://web.archive.org/web/19990501164132/http://www.rt.ru/about/ab-history.html История ОАО «Ростелеком»]</ref>).
В настоящее время в России построены заводы по производству волоконно-оптического кабеля, наиболее часто применяемое волокно в котором — Corning и Fujikura{{нет АИ|22|07|2013}}.
== Материалы ==
Стеклянные оптические волокна делаются из [[Кварцевое стекло|кварцевого стекла]], но для дальнего инфракрасного диапазона могут использоваться другие материалы, такие как [[фторцирконат]], [[фторалюминат]] и халькогенидные стекла. Как и другие стекла, эти имеют показатель преломления около 1,5.
В настоящее время развивается применение пластиковых оптических волокон. Сердечник в таком волокне изготовляют из [[Органическое стекло|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 {{nobr|9 мкм}} (для одномодового волокна), {{nobr|50 или 62,5 мкм}} (для многомодового волокна). Оболочка имеет диаметр {{nobr|125 мкм}} и состоит из материала с [[Легирование|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 [[фотонный кристалл|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.
== Классификация ==
[[Файл:Opticalfibers.png|right|300px|thumb|Профиль показателя преломления различных типов оптических волокон:<br />'''слева вверху''' — одномодовое волокно;<br />'''слева внизу''' — многомодовое ступенчатое волокно;<br />'''справа''' — градиентное волокно с параболическим профилем]]
Оптические волокна могут быть [[одномодовое оптическое волокно|одномодовыми]] и многомодовыми. Диаметр сердцевины одномодовых волокон составляет от 7 до 10 [[Микрометр|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:
# одномодовое ступенчатое волокно с несмещённой дисперсией (стандартное) (SMF или SM, {{lang-en|step index '''s'''ingle '''m'''ode '''f'''iber}}), определяется рекомендацией [[ITU-T]] G.652 и применяется в большинстве оптических систем связи;
# одномодовое волокно со смещённой дисперсией (DSF или DS, {{lang-en|'''d'''ispersion shifted '''s'''ingle mode '''f'''iber}}), определяется рекомендацией ITU-T G.653. В волокнах DSF с помощью примесей область нулевой дисперсии смещена в [[Окно прозрачности кварцевого волокна|третье окно прозрачности]], в котором наблюдается минимальное затухание;
# одномодовое волокно с ненулевой смещённой дисперсией (NZDSF, NZDS или NZ, {{lang-en|'''n'''on-'''z'''ero '''d'''ispersion shifted '''s'''ingle mode '''f'''iber}}), определяется рекомендацией ITU-T G.655.
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 [[Рефракция|рефракции]] в сердцевине, благодаря чему снижается влияние дисперсии на искажение оптического импульса. Профиль показателя преломления градиентного волокна может быть [[Парабола|параболическим]], [[Треугольник|треугольным]], ломаным и т. д.
Полимерные (пластиковые) волокна производят диаметром 50, 62.5, 120 и 980 микрометров и оболочкой диаметром 490 и 1000 мкм.
== Производители ==
Крупнейшие производители оптических волокон{{нет АИ|4|09|2014}}:
* {{нп5|Corning Inc.|Corning}}
* OFS ({{нп5|Furukawa Electric|Furukawa Electric Co.}}<ref>[http://www.ofsoptics.com/corporate-history.html OFS Corporate History]</ref>)
* [[Sumitomo Electric Industries|Sumitomo]]
* {{нп5|Fujikura}}
* [[Prysmian|Draka]]
и др.
В России оптические волокна выпускаются на предприятии «Оптиковолоконные Системы»<ref>{{Cite web|accessdate = 2015-10-02|author = ЗАО "Оптиковолоконные Системы"|title = ЗАО Оптиковолоконные Системы|url = http://www.rusfiber.ru/main.html}}</ref>
== Применение ==
=== Волоконно-оптическая связь ===
{{main|Волоконно-оптическая связь}}
[[Файл:Optical fiber cable.jpg|left|300px|thumb|Волоконно-оптический кабель.]]
Основное применение оптические волокна находят в качестве среды передачи на волоконно-оптических телекоммуникационных сетях различных уровней: от межконтинентальных магистралей до домашних компьютерных сетей. Применение оптических волокон для линий связи обусловлено тем, что оптическое волокно обеспечивает высокую защищенность от несанкционированного доступа, низкое затухание сигнала при передаче информации на большие расстояния и возможность оперировать с чрезвычайно высокими скоростями передачи. Уже к 2006-му году была достигнута частота модуляции 111 ГГц<ref>{{cite web|date=September 29, 2006|url=http://www.ntt.co.jp/news/news06e/0609/060929a.html|title=14 Tbps over a Single Optical Fiber: Successful Demonstration of World's Largest Capacity. 140 digital high-definition movies transmitted in one second|author= NTT Press Release.|archiveurl=http://www.webcitation.org/67yI4RHbw|archivedate=2012-05-27}}</ref><ref>{{Cite news|last = M. S. Alfiad, et al.|year = 2008|title = 111 Gb/s POLMUX-RZ-DQPSK Transmission over 1140 km of SSMF with 10.7 Gb/s NRZ-OOK Neighbours| periodical = Proceedings ECOC 2008|pages =Mo.4.E.2}}</ref>, в то время как скорости 10 и 40 Гбит/с стали уже стандартными скоростями передачи по одному каналу оптического волокна. При этом каждое волокно, используя технологию [[Спектральное уплотнение каналов|спектрального уплотнения каналов]] может передавать до нескольких сотен каналов одновременно, обеспечивая общую скорость передачи информации, исчисляемую терабитами в секунду. Так, к 2008 году была достигнута скорость 10,72 Тбит/с<ref>{{книга
|автор = Листвин А. В., Листвин В. Н., Швырков Д. В.
|часть =
|заглавие = Оптические волокна для линий связи
|оригинал =
|ссылка =
|ответственный =
|издание =
|место = {{М.}}
|издательство = ЛЕСАРарт
|год = 2003
|том =
|страницы = 8
|страниц = 288
|серия =
|isbn = 5-902367-01-8
|тираж = 10 000
}}</ref>, а к 2012 — 20 Тбит/с<ref>[http://digital-tv.com.ua/news_hitech/huawei-predstavila-prototip-sistemy-magistralnoi-peredachi-400g-dwdm.html Huawei представила прототип системы магистральной передачи 400G DWDM]</ref>. Последний рекорд скорости - 255 Тбит/с<ref>{{Cite news|title = Создано оптоволокно с пропускной способностью до 255 терабит в секунду|author = |url = http://lenta.ru/news/2014/10/27/opticalfiber/|work = Лента.ру|date = 28 октября 2014}}</ref>.
=== Волоконно-оптический датчик ===
Оптическое волокно может быть использовано как датчик для измерения напряжения, температуры, давления и других параметров. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии дают волоконно-оптическим датчикам преимущество перед традиционными электрическими в определённых областях.
Оптическое волокно используется в [[гидрофон]]ах в сейсмических или гидролокационных приборах. Созданы системы с гидрофонами, в которых на волоконный кабель приходится более 100 датчиков. Системы с гидрофоновым датчиком используются в нефтедобывающей промышленности, а также флотом некоторых стран. Немецкая компания [[Sennheiser]] разработала [[лазер]]ный микрофон, основными элементами которого являются лазерный излучатель, отражающая мембрана и оптическое волокно<ref>{{cite web|title=TP: Der Glasfaser-Schallwandler|url=http://www.heise.de/tp/r4/artikel/19/19822/1.html|accessdate=December 4|accessyear=2005|archiveurl=http://www.webcitation.org/616VR8wbx|archivedate=2011-08-21}}</ref>.
Волоконно-оптические датчики, измеряющие температуры и давления, разработаны для измерений в нефтяных скважинах. Они хорошо подходят для такой среды, работая при температурах, слишком высоких для полупроводниковых датчиков.
С использованием полимерных оптических волокон создаются новые химические датчики (сенсоры), которые нашли широкое применение в экологии, например, для детектирования [[аммоний|аммония]] в водных средах<ref>{{Статья|автор = Лопес Н. ., Секейра Ф. ., Гомес М. С., Рожерио Н. Н., Бильро Л. ., Задорожная О. А., Рудницкая А. М.|заглавие = Оптоволоконный сенсор, модифицированный графтингом молекулярно-импринтированного полимера для детектирования аммония в водных средах|издание = Журнал «Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики»|тип = |год = 2015|номер = 4|страницы = |issn = 2226-1494|ссылка = http://ntv.ifmo.ru/ru/article/13661/optovolokonnyy_sensor,_modificirovannyy_graftingommolekulyarno-imprintirovannogo_polimeradlya_detektirovaniya_ammoniya_v_vodnyh_sredah.htm}}</ref>.
Разработаны устройства дуговой защиты с волоконно-оптическими датчиками, основными преимуществами которых перед традиционными устройствами дуговой защиты являются: высокое быстродействие, нечувствительность к электромагнитным помехам, гибкость и лёгкость монтажа, диэлектрические свойства.
Оптическое волокно применяется в [[лазерный гироскоп|лазерном гироскопе]], используемом в [[Boeing 767]]{{Нет АИ|17|6|2013}} и в некоторых моделях машин (для навигации). [[волоконно-оптический гироскоп|Волоконно-оптические гироскопы]] применяются в космических кораблях [[Союз (космический корабль)|«Союз»]]<ref>{{cite web|url=http://www.optolink.ru/ru/novosti|title=Научно-Производственная Компания "Оптолинк": Новости|accessdate=2013-06-17|archiveurl=http://www.webcitation.org/6HSKxZFbo|archivedate=2013-06-18}}</ref>. Специальные оптические волокна используются в интерферометрических датчиках магнитного поля и электрического тока. Это волокна, полученные при вращении заготовки с сильным встроенным двойным лучепреломлением.
=== Другие применения оптического волокна ===
[[Файл:Flashflight red.jpg|thumb|300px|right| Диск [[фрисби]], освещённый оптическим волокном]]
Оптические волокна широко используются для освещения. Они используются как световоды в медицинских и других целях, где яркий свет необходимо доставить в труднодоступную зону. В некоторых зданиях оптические волокна направляют солнечный свет с крыши в какую-нибудь часть здания. Волоконно-оптическое освещение также используется в декоративных целях, включая коммерческую рекламу, [[искусство]] и искусственные [[рождественская ёлка|рождественские ёлки]].
Оптическое волокно также используется для формирования изображения. Пучок света, передаваемый оптическим волокном, иногда используется совместно с линзами — например, в [[эндоскоп]]е, который используется для просмотра объектов через маленькое отверстие.
Оптическое волокно используется при конструировании [[Волоконный лазер|волоконного лазера]].
== Примечания ==
{{Примечания}}
== См. также ==
{{навигация
|Викисловарь = оптическое волокно
}}
* [[Оптические материалы]]
* [[Волоконно-оптический кабель]]
* [[Оптические системы
* [[Сварка оптического волокна]]
* [[Сплайс-пластина]]
Строка 8 ⟶ 127 :
* [[Субдлинноволновое оптическое волокно]]
* [[Подводный коммуникационный кабель]]
* [[Оптоволоконное измерение температуры
* [[Фотонно-кристаллические волноводы]]
* [[Спектральное уплотнение каналов|Спектральное уплотнение каналов, WDM, DWDM]]
* [[ODF-панель]]
| |||