Optické vlákno

Optické vlákno  - vlákno z opticky průhledného materiálu (sklo, plast) sloužící k přenosu světla uvnitř sebe úplným vnitřním odrazem .

Optické vlákno  je dielektrické vodicí médium určené k vedení elektromagnetických vln v optickém a infračerveném rozsahu. Optické vlákno je koaxiální konstrukce a skládá se z jádra, pláště a primárního akrylátového povlaku a vyznačuje se profilem indexu lomu.

Vláknová optika  je odvětví aplikované vědy a inženýrství, které taková vlákna popisuje. V optické komunikaci se používají kabely založené na optických vláknech ( fiber optic cable ) , které umožňují přenos informací na delší vzdálenosti při vyšší datové rychlosti než v elektronické komunikaci [1] . V některých případech se také používají při vytváření senzorů .

Historie

Princip přenosu světla používaný ve vláknové optice byl poprvé demonstrován v 19. století, ale širšímu použití bránil nedostatek vhodné technologie.

V roce 1934 získal Američan Norman R. French patent na optický telefonní systém, ve kterém byly řečové signály přenášeny pomocí světla přes tyče z čistého skla [2] .

V 50. letech Brian O'Brien a Narinder Kapanii (který v roce 1956 zavedl termín vláknová optika) vyvinuli optická vlákna pro přenos obrazu. Byly aplikovány ve světlovodech používaných v lékařství (v endoskopii ) [3] [4] .

V roce 1962 vznikl polovodičový laser a fotodioda , používané jako zdroj a přijímač optického signálu [2] .

V roce 1966 K. Ch. Kao a J. Hockham formulovali požadavky na systém přenosu informací optickým vláknem a ukázali možnost vytvoření optického vlákna s útlumem menším než 20 dB / km . Zjistili, že vysoká úroveň útlumu vlastní prvním vláknům (asi 1000 dB/km) byla způsobena nečistotami přítomnými ve skle. Za tuto práci obdržel Kao v roce 2009 Nobelovu cenu za fyziku .

Ale teprve v roce 1970 se zaměstnancům Corningu Robertu Maurerovi a Donaldu Keck podařilo získat vlákno s nízkým útlumem – až 16 dB/km, za pár let – až 4 dB/km. Vlákno bylo multimódové a bylo přes něj přenášeno několik režimů světla. Do roku 1983 byla zvládnuta výroba jednovidových vláken, přes která se přenášel jeden mód .

Komunikační linky z optických vláken (FOCL) byly poprvé použity pro vojenské účely. V roce 1973 americké námořnictvo poprvé implementovalo optické spojení na palubě Little Rock . V roce 1976 americké letectvo nahradilo kabelové vybavení letounu A-7 zařízením z optických vláken, které vážilo mnohem méně. V roce 1977 byl vypuštěn dvoukilometrový FOCL spojující pozemní satelitní stanici s řídícím střediskem.

V roce 1980 začal fungovat první komerční FOCL ve Spojených státech mezi Bostonem a Richmondem [3] [4] .

V SSSR se první optické komunikační linky na několika místech objevily koncem 80. let. Prvním ruským mezinárodním FOCL byla podvodní linie St. Petersburg  - Albertslund ( Dánsko ), kterou v roce 1993 položila společnost JSC Sovtelecom [5] [6] (nyní PJSC Rostelecom [7] ).

V roce 2018 provedli výzkumníci z NICT Network System Research Institute a Fujikura Ltd, jejichž specialisté vyvinuli nový typ třírežimového (tříkanálového) optického vlákna, experiment, během kterého bylo dosaženo rychlosti přenosu informací 159 terabitů za sekundu. vzdálenost 1045 kilometrů. Za normálních podmínek zpoždění ve vícevidovém vláknu znesnadňují současný příjem vysokých přenosových rychlostí a přenos na velké vzdálenosti. A tento úspěch je jakousi ukázkou nové metody překonávání omezení [8] .

Materiály

Skleněná optická vlákna jsou vyrobena z křemenného skla , ale pro daleké infračervené záření lze použít i jiné materiály, jako jsou fluorozirkonát , fluoroaluminát a chalkogenidová skla . Stejně jako ostatní skla mají i tato index lomu cca 1,5.

V současné době se rozvíjí využití plastových optických vláken. Jádro takového vlákna je vyrobeno z polymethylmethakrylátu (PMMA) a plášť je vyroben z fluorovaného PMMA (fluoropolymery).

Konstrukce

Optické vlákno má zpravidla kruhový průřez a skládá se ze dvou částí - jádra a pláště. Pro zajištění úplného vnitřního odrazu je absolutní index lomu jádra o něco vyšší než u pláště. Jádro je vyrobeno z čistého materiálu (sklo nebo plast) a má průměr 9 µm (pro jednovidové vlákno), 50 nebo 62,5 µm (pro multividové vlákno). Plášť má průměr 125 µm a sestává z materiálu s příměsemi, které mění index lomu. Pokud je například index lomu pláště 1,474, pak index lomu jádra je 1,479. Paprsek světla nasměrovaný do jádra se bude šířit podél něj a mnohokrát se odráží od obalu.

Možné jsou i složitější konstrukce: jako jádro a plášť lze použít dvourozměrné fotonické krystaly , místo skokové změny indexu lomu se často používají vlákna s gradientem profilu indexu lomu, tvar jádra se může lišit od válcové. Takové konstrukce poskytují vláknům speciální vlastnosti: zachování polarizace šířícího se světla, snížení ztrát, změna disperze vláken atd.

Optická vlákna používaná v telekomunikacích mají typicky průměr 125±1 mikronů. Průměr jádra se může lišit v závislosti na typu vlákna a národních normách.

Klasifikace

Optická vlákna mohou být jednovidová nebo vícevidová. Průměr jádra jednovidových vláken je mezi 7 a 10 mikrony . Díky malému průměru jádra se optické záření šíří vláknem v jednom (základním) módu a v důsledku toho nedochází k intermodální disperzi.

Existují tři hlavní typy jednovidových vláken:

  1. jednovidové stupňovité vlákno s neposunutou disperzí (standardní) (SMF nebo SM, anglicky  step index s single mode fiber ), je definováno doporučením ITU-T G.652 a používá se ve většině optických komunikačních systémů;
  2. disperzně posunuté jednovidové vlákno (DSF nebo DS ) je definováno ITU - T G.653 .  Ve vláknech DSF se pomocí nečistot posune oblast nulové disperze do třetího průhledného okna , ve kterém je pozorován minimální útlum;
  3. jednovidové vlákno s nenulovým posunem disperze ( NZDSF , NZDS  nebo NZ ,

Multimode vlákna se liší od singlemode vláken v průměru jádra, který je 50 mikronů v evropském standardu a 62,5 mikronu v severoamerických a japonských standardech. Díky velkému průměru jádra se vícevidovým vláknem šíří několik režimů záření - každý pod svým vlastním úhlem, díky čemuž světelný puls zažívá disperzní zkreslení a mění se z obdélníkového do zvonovitého tvaru.

Vícevidová vlákna se dělí na stupňovitá a gradientní vlákna. U stupňovitých vláken se index lomu mění postupně od pláště k jádru. U gradientních vláken k této změně dochází jinak – index lomu jádra se plynule zvyšuje od okraje ke středu. To vede k jevu lomu v jádře, čímž se snižuje vliv disperze na zkreslení optického pulzu. Profil indexu lomu vlákna s gradientem může být parabolický , trojúhelníkový , přerušený a tak dále.

Polymerová (plastová) vlákna se vyrábí o průměru 50, 62,5, 120 a 980 mikrometrů a pláštěm o průměru 490 a 1000 mikronů.

Aplikace

Komunikace z optických vláken

Optická vlákna se používají především jako médium pro přenos informací v optických telekomunikačních sítích různých úrovní: od mezikontinentálních dálnic až po domácí počítačové sítě. Použití optických vláken pro komunikační linky je dáno tím, že optické vlákno poskytuje vysokou bezpečnost proti neoprávněnému přístupu, nízký útlum signálu při přenosu informací na velké vzdálenosti, schopnost pracovat s extrémně vysokou přenosovou rychlostí a propustností i přes rychlost šíření signálu ve vláknech může být až o 30 % nižší než u měděných drátů a až o 40 % nižší než rychlost šíření rádiových vln [9] . Již v roce 2006 bylo dosaženo modulační frekvence 111 GHz [10] [11] , přičemž rychlosti 10 a 40 Gbit/s se již staly standardními přenosovými rychlostmi po jediném kanálu optického vlákna. Současně může každé vlákno pomocí technologie spektrálního multiplexování kanálů přenášet až několik stovek kanálů současně, což poskytuje celkovou rychlost přenosu informací počítanou v terabitech za sekundu. Takže do roku 2008 bylo dosaženo rychlosti 10,72 Tbps [12] a do roku 2012 - 20 Tbps [13] . Poslední rychlostní rekord je 255 Tbps [14] .

Od roku 2017 odborníci hovoří o dosažení praktické hranice stávajících optických komunikačních technologií a o nutnosti zásadních změn v oboru [15] .

Optický senzor

Optické vlákno lze použít jako senzor pro měření napětí, teploty, tlaku a dalších parametrů. Malá velikost a prakticky absence potřeby elektrické energie dávají senzorům z optických vláken v určitých oblastech výhodu oproti tradičním elektrickým senzorům.

Optické vlákno se používá v hydrofonech v seismických nebo sonarových přístrojích. Hydrofonní systémy byly vyvinuty s více než 100 senzory na vláknový kabel. Hydrofonní senzorové systémy se používají v ropném průmyslu a také ve flotilách některých zemí. Německá společnost Sennheiser vyvinula laserový mikrofon, jehož hlavními prvky jsou laserový zářič, reflexní membrána a optické vlákno [16] .

Optické senzory měřící teploty a tlaky jsou určeny pro měření v ropných vrtech. Jsou velmi vhodné pro toto prostředí, protože pracují při teplotách příliš vysokých pro polovodičové senzory.

S využitím polymerních optických vláken vznikají nové chemické senzory (senzory), které mají široké využití v ekologii např. pro detekci amonia ve vodných médiích [17] .

Byla vyvinuta zařízení pro obloukovou ochranu s optickými senzory, jejichž hlavní výhody oproti tradičním zařízením pro obloukovou ochranu jsou: vysoká rychlost, necitlivost na elektromagnetické rušení, flexibilita a snadná instalace, dielektrické vlastnosti.

Optické vlákno použité v laserovém gyroskopu používaném v Boeingu 767 a v některých modelech aut (pro navigaci). V kosmických lodích Sojuz se používají gyroskopy z optických vláken [18] . Speciální optická vlákna se používají v interferometrických snímačích magnetického pole a elektrického proudu. Jedná se o vlákna získaná rotací předlisku se silným zabudovaným dvojlomem.

Další použití

Optická vlákna jsou široce používána pro osvětlení . Používají se jako světlovody v lékařských a jiných aplikacích, kde je potřeba dopravit jasné světlo do těžko přístupných oblastí. V některých budovách optická vlákna směřují sluneční světlo ze střechy do některé části budovy. Také v automobilovém osvětlení (indikace na palubní desce).

Osvětlení z optických vláken se také používá pro dekorativní účely, včetně komerční reklamy, umění a umělých vánočních stromků .

Optické vlákno se také používá pro zobrazování. Paprsek světla přenášený optickým vláknem se někdy používá ve spojení s čočkami, například v endoskopu , který se používá k prohlížení objektů přes malý otvor.

Optické vlákno se používá při konstrukci vláknového laseru .

Viz také

Poznámky

  1. ↑ A. G. Korobeinikov, Yu. A. Gatchin, K. V. Dukelsky, E. V. Ter-Nersesyants.  Problémy výroby vysokopevnostních optických vláken - MDT 681.7.- Vědeckotechnický bulletin ITMO . - vydání 2 (84). – březen-duben 2013
  2. ↑ 1 2 Dushutin N. K., Mokhovikov A. Yu Z historie fyziky kondenzovaných látek . Z historie fyziky kondenzovaných látek P. 157. Irkutská státní univerzita (2014). Získáno 21. ledna 2016. Archivováno z originálu 27. ledna 2016.
  3. ↑ 1 2 Historická odbočka . Získáno 28. června 2022. Archivováno z originálu dne 14. září 2019.
  4. ↑ 1 2 A Chronologie optických vláken
  5. ↑ Vlastnosti výstavby FOCL v Rusku . Získáno 28. června 2022. Archivováno z originálu dne 25. března 2018.
  6. ↑ Telecom v Rusku 2000-2004 . Získáno 28. června 2022. Archivováno z originálu dne 6. září 2019.
  7. ↑ Historie OJSC Rostelecom
  8. ↑ „Record Breaking Fiber Transmission Speed ​​​​Reported“ Archivováno 19. dubna 2018 na Wayback Machine ECN, 17. dubna 2018
  9. ↑ Salifov I. I. Výpočet a srovnání přenosových médií moderních páteřních komunikačních sítí podle kritéria latence (zpoždění)  // T-Comm - Telekomunikace a doprava: časopis. - M . : Nakladatelství "Media Publisher", 2009. - č. 4 . - S. 42 . Archivováno z originálu 21. ledna 2022.
  10. ↑ Tisková zpráva NTT. 14 Tbps přes jediné optické vlákno: Úspěšná demonstrace největší světové kapacity. 140 digitálních filmů ve vysokém rozlišení přenesených za jednu sekundu (odkaz není k dispozici) (29. září 2006). Získáno 3. října 2011. Archivováno z originálu dne 27. května 2012. 
  11. ↑ MS Alfiad a kol. . 111 Gb/s POLMUX-RZ-DQPSK Přenos přes 1140 km SSMF s 10,7 Gb/s NRZ-OOK Neighbors, C. Mo.4.E.2.
  12. ↑ Listvin A.V., Listvin V.N., Shvyrkov D.V. Optická vlákna pro komunikační linky . - M .: LESARart, 2003. - S.  8 . — 288 s. — 10 000 výtisků.  - ISBN 5-902367-01-8 .
  13. ↑ Huawei představil prototyp 400G DWDM páteřního přenosového systému . Získáno 23. září 2013. Archivováno z originálu 26. září 2013.
  14. ↑ Bylo vytvořeno optické vlákno s šířkou pásma až 255 terabitů za sekundu , Lenta.ru  (28. října 2014). Archivováno z originálu 29. října 2014. Staženo 29. října 2014.
  15. ↑ Alexander Golyshko, Vitaly Shub. Čas na zázraky aneb brzdy na konec světa . ICS média . ICS Journal (7. července 2017). Staženo 21. 5. 2018. Archivováno z originálu 22. 5. 2018.
  16. ↑ TP: Der Glasfaser-Schallwandler . Získáno 4. prosince 2005. Archivováno z originálu dne 21. srpna 2011.
  17. ↑ Lopez N., Sequeira F., Gomez M. S., Rogerio N. N., Bilro L., Zadorozhnaya O. A., Rudnitskaya A. M. Vláknový optický senzor modifikovaný molekulárně imprintovaným polymerním roubováním pro detekci amonia ve vodných médiích  // Journal "Scientific and technical bulletin informačních technologií, mechaniky a optiky“. - 2015. - č. 4 . — ISSN 2226-1494 . Archivováno z originálu 8. července 2015.
  18. ↑ Výzkumná a produkční společnost "Optolink": Novinky . Získáno 17. června 2013. Archivováno z originálu 18. června 2013.

Literatura

Odkazy


  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie