Оптическое волокно: история изобретения и сферы применения

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Оптическое волокно (или волокна) представляет собой стеклянные или пластиковые волокна, которые используются для переноса света по всей своей длине. Волоконная оптика - это раздел прикладной науки и машиностроения, связанный с проектированием и применением оптических волокон. Оптические волокна широко используются в волоконно-оптической форме связи, что позволяет обеспечить передачу света на большие расстояния и с более высокой пропускной способностью (скоростью передачи данных), чем в других формах связи. Волокна используются вместо металлических кабелей, поскольку сигналы проходят вдоль них с меньшими потерями, и они также защищены от электромагнитных помех. Волокна также используются для освещения, их заворачивают в пучки (жгуты), чтобы их можно было использовать для передачи изображения, что обеспечивает просмотр в ограниченном пространстве. Специально разработанные волокна используются и для ряда других целей, включая создание датчиков и волоконных лазеров.

Процесс соединения с целью удлинения оптического волокна является более сложным, чем соединение электрического провода или кабеля. Концы волокон должны быть тщательно разъедены, а затем переплетены друг с другом механически или путем их спаивания с помощью электрической дуги. Для создания разъемных соединений используются специальные разъемы.

1. История

Волоконная оптика, хоть и стала широко использоваться в современном мире, является довольно простой и старой технологией. Передача света с помощью закона преломления, принципа, который делает возможным использование волоконной оптики, была впервые продемонстрирована Даниэлем Колладоном и Жаком Бабинэ в Париже в начале 1840-х годов. Джон Тиндел через несколько десятков лет ввел показательные демонстрации в свои общественные лекции в Лондоне. Тиндел также писал о свойствах полного внутреннего отражения в своей ознакомительной работе о природе света в 1870 году: «Когда свет проходит в направлении от воздуха в воду, то преломленный луч смещается в сторону перпендикуляра. В случае, когда угол, образованный лучом в воде и перпендикуляром к поверхности, превышает 48 градусов, световой луч не покинет среду воды вообще: он будет полностью отражен на поверхности... Угол, ограничивающий границу полного внутреннего отражения, называется углом полного внутреннего отражения среды. Для воды он составляет 48°27', для флинтового стекла - 38°41', а для алмаза - 23°42».

Практическое применение, такое как освещение полости рта внутри при стоматологических процедурах, появилось в начале ХХ века. Передача изображений по трубкам была продемонстрирована отдельно радио-экспериментатором Кларенсом Ханселем и телевизионным первопроходцем Джоном Логи Бэйрдом в 1920 годах. Этот эффект впервые был применен для внутреннего медицинского обследования Гайнриком Ламмом в следующем десятилетии. В 1952 году физик Нерайндер Сайнг Капани провел эксперимент, который привел к изобретению оптического волокна. Современное оптическое волокно, стеклянное волокно которого покрыто прозрачной оболочкой для определения наиболее подходящего коэффициента преломления появилось позже в этом десятилетии. После этого все разработки сконцентрировались на пучках оптических волокон, необходимых для передачи изображения. Первый волоконно-оптический гастроскоп был запатентован в 1956 году Бэзилом Хиршовицем, Си. Уилбером Питерзом и Лоренцом И. Куртизом, являющимися исследователями Университета Мичигана в 1956 году. В процессе разработки гастроскопа, Куртиз создал первое волокно со стеклянным покрытием; предыдущие образцы оптического волокна в качестве оболочки с низким показателем преломления материала оболочки использовали воздух, а также непрактичные масла и воск. Вскоре появился целый ряд других применений, связанных с передачей изображений.

Юн-ичи Нишазава, японский ученый из университета Тохоку, был первым, кто предложил использовать оптические волокна в сфере связи в 1963 году. Нишазава изобрел другие технологии, которые внесли свой вклад в развитие оптоволоконных линий связи, а также Нишазава изобрел градиентные оптические волокна в 1964 году как канал для передачи света от полупроводниковых лазеров на большие расстояния с малыми потерями.

В 1965 году Чарльз К. Као и Джордж А. Гокхем из британской компании Стандарт Телефонс энд кейблс (STC) были первыми, кто предложили идею уменьшения затухания в оптическом волокне к показателю, ниже 20 децибел на километр (дБ /км), таким образом, позволяя использовать волокна в качестве практического средства коммуникации. Они предполагали, что причиной затухания, имеющегося в волокнах на тот момент, являются больше примеси, которые могут быть удалены из волокна, чем фундаментальные физические эффекты, такие как рассеяние. Определяющий уровень затухания 20 дБ / км впервые был достигнут в 1970 году исследователями Робертом Д. Маурером, Дональдом Кеком, Питером К. Шульцом и Франко Зимаром, работающими на американского производителя стекла стекольный завод Каминг Гласс Воркс, в настоящее время завод именуется Корнинг Инкорпорэйтид. Они продемонстрировали волокна с уровнем затухания в 17 дБ /км в котором кварцевое стекло содержало примеси титана. Через несколько лет они создали волокно с уровнем затухания всего в 4 дБ /км, используя за основу примеси диоксид германия. Столь низкое затухание положило начало низким телекоммуникациям с использованием оптического волокна и сделало Интернет доступным. В 1981 году компания Дженерал Электрик выпустила слитки плавленого кварца, которые могут использоваться для создания оптоволоконных нитей с длиной в 25 миль (40 Ион).

Затухание в современном оптическом волоконном кабеле значительно меньше, чем в медном электрическом, что повлияло на развитие линий телекоммуникационных передач длиной 50-80 км (31-50 миль). Оптоволоконный усилитель с примесями эрбия, что существенно уменьшает стоимость оптоволоконных систем большой длины путем уменьшения количества или даже очень часто, устранения необходимости оптико-электронных-оптических ретрансляторов, был разработан Дэвидом Н. Пейном из Университета Саусхамтона и Эмануэлем Дезервиром из Бел Лабс в 1986 году. В усовершенствованном оптическом волокне, применяемом сегодня, для сердцевины и оболочки используется стекло, которое повышает устойчивость к процессам старения. Оно было изобретено Герхардом Бернизом в 1973 году компанией Скот Глес в Германии.

В 1991 году недавно возникшее направление фотонных кристаллов привело к развитию фотонно-кристаллического оптического волокна, проводившего свет благодаря дифракционным явлениям на периодической структуре материала быстрее, чем это выполняется путем полного внутреннего отражения. Первое фотонное кристаллическое волокно стало коммерчески доступным в 2000 году. Фотонные кристаллические волокна могут быть предназначены для передачи более высокой мощности, если сравнивать с мощностью, которую передают обычные волокна, и их частоты можно регулировать с целью улучшения эффективности определенных сфер применения.

2. Применение

Волоконно-оптическая связь.

Оптическое волокно может быть использовано в качестве среды для телекоммуникационных сетей, поскольку оно характеризуется гибкостью и может собираться в пучки как кабель. Это особенно выгодно для связи на значительных расстояниях, так как свет распространяется по волокну с незначительным затуханием по сравнению с электрическими кабелями. Это позволяет проводить связь на большие расстояния, установив несколько промежуточных станций связи. Кроме того, любой канал световых сигналов, распространяющихся в волокне, может быть модулирован со скоростью, выше 111 гигабит в секунду, хотя стандартная скорость для развернутых систем - 10 или 40 Гбит /с.

Каждое волокно может включать с себя множество независимых каналов, каждый из которых использует различную длину волны света (мультиплексирование по длине волны (WDM)).

На короткие расстояния, такие как, сеть в пределах здания, волокно экономит пространство в кабельных каналах, потому что одно волокно может передавать гораздо больше данных, чем один электрический кабель. Волокно также устойчиво к электрическим помехам; здесь отсутствуют какие-либо перекрестные помехи между сигналами, которые имеются в различных кабелях, и нет усиления шума окружающей среды. Неармированный оптоволоконный кабель не проводит электричество, тем самым делая волокно подходящим вариантом защиты коммуникационного оборудования, размещенного в средах высокого напряжения, такого как генерирующие мощности или металлические сооружения связи, склонных к риску попадания ударов молнии. Они также могут использоваться в средах, в которых присутствуют взрывоопасные пары, без угрозы воспламенения. Прослушивание является более сложным процессом, по сравнению с электрическими соединениями, и существуют волокна с двумя сердцевинами, которые, как говорят, являются «доказательством записи».

Несмотря на то, что оптические волокна могут быть изготовлены из прозрачного пластика, стекла, или комбинации этих двух материалов, волокна, используемые в междугородных телекоммуникационных связях, всегда изготавливаются из стекла, из-за более низкого оптического затухания. В сетях связи используются одномодовые и мультимодовые волокна, мультимодовые волокна используются, в основном, для коротких расстояний, до 550 м (600 ярдов), и одномодовые волокна используются для длинных расстояний. Использование одномодовых передатчиков, приемников, усилителей и других компонентов обычно стоит дороже, чем использование мультимодовых компонентов из-за допуска в узких пределах, необходимого для внесения и передачи света по одномодовым волокнам (с диаметром сердцевины около 10 мкм).

Волоконно-оптические датчики.

Волокна имеют множество применений в области дистанционного зондирования. В некоторых случаях оптическое волокно само по себе является датчиком. В других случаях, волокно используется для соединения неволоконно-оптического датчика с измерительной системой. В зависимости от сферы применения, волокно может использоваться благодаря своему малому размеру или благодаря тому, что для удаленного местоположения не требуется никакого электрического питания. Или потому, что многие датчики могут быть мультиплексированы по длине волокна, используя для каждого датчика различную длину волн света или определяя время задержки, с которой свет проходит по волокну через каждый датчик. Время задержки может определяться с помощью устройства, такого как оптический рефлектометр для измерения временных характеристик.

Оптические волокна могут использоваться в качестве датчиков для измерения напряжения, температуры, давления и других величин путем изменения волокна таким образом, чтобы измеряемая величина модулировала интенсивность, фазу, поляризацию, длину волны или временя передачи света в волокне. Для измерения интенсивности света используются наиболее простые датчики, так как необходим только простой источник и детектор. Особенно полезной особенностью таких волоконно-оптических датчиков является тот факт, что они могут, при необходимости, обеспечивать распределенное считывание на расстоянии до одного метра.

Внешние волоконно-оптические датчики используют волоконно-оптический кабель, обычно мультимодовый, для передачи модулированного света от неволоконно-оптического датчика или электронного датчика, соединенного с оптическим передатчиком оптического диапазона. Основным преимуществом внешних датчиков является их способность достичь места, которого иным образом достичь невозможно. Примером может послужить измерение температуры внутри двигателя реактивного самолета, используя оптическое волокно для передачи излучения в пирометр излучения, расположенный снаружи двигателя. Внешние датчики также могут использоваться таким же образом для измерения внутренней температуры электрических трансформаторов, где применение любых других методов измерения к имеющимся предельным электромагнитным полям является невозможным. Внешние датчики используются для измерения вибрации, вращения, смещения, скорости, ускорения, крутящего момента и изгибания.

Прочее использование оптических волокон.

Волокна широко используется в освещении. Они используются как световоды в медицинских и других целях, где яркий свет должен светить на мишень без четкой линии видимости прямого пути. В некоторых зданиях, оптические волокна используются для направления солнечного света от крыши до других частей здания (см. оптическая система, не дающая изображения объекта). Освещение оптического волокна также используется для декоративных целей, включая рекламу, искусство и искусственные елки. Бутики Сваровски используют оптические волокна для освещения витрин со своими кристаллами с разных точек зрения, при этом используя только один источник света.

Оптическое волокно также используется в оптике системы формирования изображений. Когерентный пучок волокон используется, иногда вместе с линзами, для длинного, тонкого устройства визуализации, именуемого эндоскопом, который используется для просмотра объектов через маленькое отверстие. Медицинские эндоскопы используются для минимально инвазивного исследовательского или хирургического вмешательства (эндоскопия). Промышленные эндоскопы используются для проверки трудно достигаемых мест, например, внутренней части реактивного двигателя.

В спектроскопии, волоконно-оптические пучки используются для передачи света от спектрометра к веществу, которое не может быть помещено внутрь спектрометра для анализа его состава. Спектрометр анализирует вещество за счет отталкивания света от и сквозь них. Используя волокна, спектрометр может применяться для изучения объектов, которые слишком велики, чтобы поместиться внутри, или газов, или реакций, которые происходят в сосудах с высоким давлением внутри.

Оптическое волокно может использоваться для подачи мощности низкого уровня (около одного ватта) к электронике, расположенной в сложной электрической среде. Примерами вышесказанного является электроника в мощных элементах антенны и измерительные приборы, используемые в оборудовании передачи высоковольтного напряжения.

волоконный телекоммуникационный фотонный кристаллический

Заключение

За последние несколько лет волоконно-оптические технологии с огромной скоростью продвинулись вперед в довольно тихий и сдержанный способ. Обусловленный необходимостью достижения более высокой пропускной способности на длинных расстояниях магистральных каналов связи.

Это улучшение эксплуатационных показателей идет рука об руку с развитием подходящих методологий передачи и доступа.

Волоконно-оптические технологии далеки от обычной банальности. Следующим шагом будут когерентные системы передачи, которые позволят улучшить качество передачи данных по оптическому волокну, по крайней мере, на десятикратный множитель.

Размещено на Allbest.ru