Оптоволокно

редактировать
Световодное волокно

Пучок оптоволокна Команда оптоволокна устанавливает 432 оптоволоконный кабель под улицами из Мидтауна Манхэттена, Нью-Йорка A TOSLINK волоконно-оптический аудиокабель с красным светом на одном конце передает свет на другой конец A настенный шкаф, содержащий оптоволоконные межсоединения. Желтые кабели - это одномодовые волокна ; оранжевый и голубой кабели - это многомодовые волокна : волокна OM2 50/125 мкм и OM3 50/125 мкм соответственно.

оптическое волокно является гибким, прозрачное волокно, изготовленное вытягиванием стекла (кремнезем ) или пластмассы до диаметра немного толще, чем у человеческие волосы. Оптические волокна чаще всего используются как средство передачи света между двумя концами волокна и находят широкое применение в оптоволоконной связи, где они позволяют передавать на большие расстояния и с более высокой полосой пропускания (скорость передачи данных), чем электрические кабели. Волокна используются вместо металлических проводов, потому что сигналы проходят по ним с меньшими потерями ; кроме того, волокна невосприимчивы к электромагнитным помехам - проблеме, от которой страдают металлические провода. Волокна также используются для освещения и формирования изображений, и часто их оборачивают пучками, чтобы их можно было использовать для переноса света в ограниченное пространство или изображений из ограниченного пространства, как в случае фиброскопа . Специально разработанные волокна также используются для множества других приложений, некоторые из которых представляют собой волоконно-оптические датчики и волоконные лазеры.

. Оптические волокна обычно включают в себя сердечник, окруженный прозрачный материал оболочки с более низким показателем преломления . Свет удерживается в сердцевине за счет явления полного внутреннего отражения, которое заставляет волокно действовать как волновод. Волокна, которые поддерживают множество путей распространения или поперечные моды, называются многомодовыми волокнами, а волокна, поддерживающие одномодовый режим, называются одномодовыми волокнами (SMF).. Многомодовые волокна обычно имеют больший диаметр сердцевины и используются для линий связи на короткие расстояния и для приложений, в которых должна передаваться большая мощность. Одномодовые волокна используются для большинства линий связи длиной более 1000 метров (3300 футов).

Возможность соединения оптических волокон с низкими потерями важна для оптоволоконной связи. Это сложнее, чем соединение электрического провода или кабеля, и включает в себя осторожное расслоение волокон, точное совмещение волоконных жил и соединение этих выровненных жил. Для приложений, требующих постоянного подключения, обычно используется стык для сварки. В этом методе используется электрическая дуга для плавления концов волокон вместе. Другой распространенный метод - это механическое соединение , при котором концы волокон удерживаются в контакте с помощью механической силы. Временные или полупостоянные соединения выполняются с помощью специализированных волоконно-оптических соединителей.

Область прикладной науки и техники, связанная с проектированием и применением оптических волокон, известна как волоконная оптика. Термин был придуман американским физиком индийского происхождения Нариндер Сингх Капани, который широко известен как отец волоконной оптики.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Использование
    • 2.1 Связь
    • 2.2 Датчики
    • 2.3 Передача энергии
    • 2.4 Другое применение
  • 3 Принцип работы
    • 3.1 Индекс преломления
    • 3.2 Полное внутреннее отражение
    • 3.3 Многомодовое волокно
    • 3.4 Одинарное -модовое волокно
    • 3.5 Волокно специального назначения
  • 4 Механизмы затухания
    • 4.1 Рассеяние света
    • 4.2 Поглощение в УФ-видимом и ИК-диапазоне
    • 4.3 Бюджет потерь
  • 5 Производство
    • 5.1 Материалы
      • 5.1.1 Кремнезем
      • 5.1.2 Фторидное стекло
      • 5.1.3 Фосфатное стекло
      • 5.1.4 Халькогенидное стекло
    • 5.2 Процесс
      • 5.2.1 Преформа
      • 5.2.2 Чертеж
    • 5.3 Покрытия
  • 6 Практические вопросы
    • 6.1 Конструкция кабеля
    • 6.2 Концевые заделки и сращивание
    • 6.3 Соединение в свободном пространстве
    • 6.4 Волоконный предохранитель
    • 6.5 Хроматическая дисперсия
  • 7 См. Также
  • 8 Примечания
  • 9 Ссылки
  • 10 Дополнительная литература
  • 11 Внешние ссылки

Hist ory

Дэниел Колладон впервые описал этот «световой фонтан» или «световую трубу» в статье 1842 года, озаглавленной «Об отражении луча света внутри параболического потока жидкости». Эта конкретная иллюстрация взята из более поздней статьи Колладона в 1884 году.

Направление света за счет рефракции, принцип, который делает возможным использование волоконной оптики, был впервые продемонстрирован Даниэлем Колладоном и Жаком Бабине в Париже в начале 1840-х гг. Джон Тиндалл включил демонстрацию этого в свои публичные лекции в Лондоне, 12 лет спустя. Тиндаль также писал о свойстве полного внутреннего отражения во вводной книге о природе света в 1870 году:

Когда свет проходит из воздуха в воду, преломленный луч изгибается в сторону перпендикуляр... Когда луч проходит из воды в воздух, он изгибается от перпендикуляра... Если угол, который луч в воде охватывает с перпендикуляром к поверхности, больше 48 градусов, луч не уйдет вода вообще: она будет полностью отражаться от поверхности... Угол, который отмечает предел, где начинается полное отражение, называется ограничивающим углом среды. Для воды этот угол составляет 48 ° 27 ', для бесцветного стекла - 38 ° 41', а для алмаза - 23 ° 42 '.

В конце 19 - начале 20 веков свет направлялся через изогнутые стеклянные стержни. для освещения полостей тела. Практические применения, такие как близкое внутреннее освещение в стоматологии, появились в начале двадцатого века. Передача изображения через трубки была независимо продемонстрирована радиоэкспериментатором Кларенсом Ханселлом и пионером телевидения Джоном Логи Бэрдом в 1920-х годах. В 1930-х годах Генрих Ламм показал, что можно передавать изображения через пучок оптических волокон без оболочки, и использовать его для внутренних медицинских осмотров, но его работа была в значительной степени забыта.

В 1953 году голландцы ученый [nl ] впервые продемонстрировал передачу изображения через пучки оптических волокон с прозрачной оболочкой. В том же году Гарольд Хопкинс и Нариндер Сингх Капани в Имперском колледже в Лондоне преуспели в изготовлении жгутов, передающих изображение, с более чем 10 000 волокон, и впоследствии добились передачи изображения. через пучок длиной 75 см, объединяющий несколько тысяч волокон. Первый практичный оптоволоконный полугибкий гастроскоп был запатентован Бэзилом Хиршовицем, К. Уилбуром Петерсом и Лоуренсом Э. Кертисс, исследователями из Мичиганского университета в 1956 году. В процессе разработки гастроскопа компания Curtiss произвела первые стеклянные волокна; предыдущие оптические волокна полагались на воздух или непрактичные масла и воски в качестве материала оболочки с низким коэффициентом преломления.

Капани ввел термин волоконная оптика, написал статью в журнале Scientific American в 1960 году, которая представила эту тему широкой аудитории, и написал первую книгу о новой области.

Первую работающую волоконно-оптическую систему передачи данных продемонстрировал немецкий физик Манфред Бёрнер в Telefunken Research Labs в Ульме в 1965 год, за которым последовала первая заявка на патент на эту технологию в 1966 году. В 1968 году НАСА использовало волоконную оптику в телевизионных камерах, которые были отправлены на Луну. В то время использование камер было классифицировано конфиденциально, и сотрудники, работающие с камерами, должны были находиться под наблюдением кого-то с соответствующим уровнем допуска.

Чарльз К. Као и Джордж А. Хокхэм из британской компании Standard Telephones and Cables (STC) был первым, кто в 1965 году продвигал идею о том, что затухание в оптических волокнах может быть уменьшено. ниже 20 децибел на километр (дБ / км), что делает волокна практичным средством связи. Они предположили, что затухание в волокнах, доступных в то время, было вызвано примесями, которые можно было удалить, а не фундаментальными физическими эффектами, такими как рассеяние. Они правильно и систематически теоретизировали свойства потерь света для оптического волокна и указали подходящий материал для таких волокон - кварцевое стекло высокой чистоты. Это открытие принесло Као Нобелевскую премию по физике в 2009 году. Критический предел затухания в 20 дБ / км был впервые достигнут в 1970 году исследователями Робертом Д. Маурером, Дональдом Кеком., Питер С. Шульц и Фрэнк Зимар работают на американского производителя стекла Corning Glass Works. Они продемонстрировали волокно с ослаблением 17 дБ / км за счет легирования кварцевого стекла титаном . Несколько лет спустя они произвели волокно с ослаблением всего 4 дБ / км, используя двуокись германия в качестве легирующей добавки для сердцевины. В 1981 году General Electric произвела плавленый кварц слитки, которые можно было растянуть в нити длиной 25 миль (40 км).

Первоначально высокие - качественные оптические волокна можно было производить только со скоростью 2 метра в секунду. Инженер-химик Томас Менса присоединился к Corning в 1983 году и увеличил скорость производства до более чем 50 метров в секунду, сделав оптоволоконные кабели дешевле, чем традиционные медные. Эти нововведения положили начало эре оптоволоконной связи.

Итальянский исследовательский центр CSELT работал с Corning над разработкой практических волоконно-оптических кабелей, в результате чего в 1977 году в Турине был развернут первый городской волоконно-оптический кабель. CSELT также разработал раннюю технику сращивания. оптические волокна, называемые Springroove.

Затухание в современных оптических кабелях намного меньше, чем в электрических медных кабелях, что ведет к оптоволоконным соединениям большой протяженности с расстояниями повторителей 70–150 км (43–93 миль). волоконный усилитель, легированный эрбием, который снизил стоимость волоконно-оптических систем на большие расстояния за счет сокращения или отказа от оптико-электро-оптических повторителей, был разработан двумя группами под руководством Дэвида Н. Пейна в Саутгемптонском университете и в Bell Labs в 1986 и 1987 годах.

Возникшая область фотонных кристаллов привела к развитию в 1991 г. фотонно-кристаллического волокна, которое направляет свет за счет дифракции от периодической структуры, а не за счет полного внутреннего отражения. Первые фотонно-кристаллические волокна стали коммерчески доступны в 2000 году. Фотонно-кристаллические волокна могут нести более высокую мощность, чем обычные волокна, и их свойства, зависящие от длины волны, можно изменять для улучшения характеристик.

Использует

Связь

Оптоволокно используется в качестве среды для телекоммуникаций и компьютерных сетей, потому что оно гибкое и может быть связанными как кабели. Это особенно выгодно для связи на большие расстояния, поскольку инфракрасный свет распространяется по волокну с гораздо меньшим затуханием по сравнению с электричеством в электрических кабелях. Это позволяет покрывать большие расстояния с помощью нескольких повторителей.

Поканальные световые сигналы, распространяющиеся по оптоволокну, модулируются со скоростью до 111 гигабит в секунду (Гбит / с) с помощью NTT, хотя в развернутых системах обычно 10 или 40 Гбит / с. В июне 2013 года исследователи продемонстрировали передачу 400 Гбит / с по одному каналу с использованием 4-режимного мультиплексирования орбитального углового момента. Каждое волокно может передавать множество независимых каналов, каждый из которых использует свою длину волны света (мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM)). Чистая скорость передачи данных (скорость передачи данных без служебных байтов) на волокно - это скорость передачи данных на канал, уменьшенная на служебные данные FEC, умноженная на количество каналов (обычно до 80 в коммерческих системах плотной WDM на 2008 г.). По состоянию на 2011 год рекорд пропускной способности для одного ядра составлял 101 Тбит / с (370 каналов по 273 Гбит / с каждый). Рекорд для многожильного волокна на январь 2013 года составил 1,05 Пбит / с. В 2009 году Bell Labs преодолела барьер в 100 (Пбит / с) · км (15,5 Тбит / с по одному оптоволокну длиной 7000 км). Для приложений на короткие расстояния, таких как сеть в офисном здании (см. оптоволокно до офиса ), оптоволоконный кабель может сэкономить место в кабельных каналах. Это связано с тем, что одно волокно может передавать гораздо больше данных, чем электрические кабели, такие как стандартные кабели Ethernet категории 5, которые обычно работают со скоростью 100 Мбит / с или 1 Гбит / с.

Волокно также невосприимчиво к электрическим помехам; отсутствуют перекрестные помехи между сигналами в разных кабелях и не возникает шума окружающей среды. Небронированные волоконно-оптические кабели не проводят электричество, что делает их полезными для защиты оборудования связи в высоковольтных средах, таких как объекты производства электроэнергии или металлические конструкции связи, склонные к удары молнии, а также предотвращение проблем с контурами заземления. Их также можно использовать в среде, где присутствуют взрывоопасные пары, без опасности возгорания. Прослушивание телефонных разговоров (в данном случае ответвление оптоволокна ) сложнее по сравнению с электрическими соединениями, и существуют концентрические двухжильные волокна, которые считаются защищенными от касания.

Волокна также часто используются для соединений на короткие расстояния между устройствами. Например, большинство телевизоров высокой четкости предлагают цифровое оптическое аудио соединение. Это позволяет передавать аудио через свет с использованием протокола S / PDIF через оптическое соединение TOSLINK.

Информация, передаваемая внутри оптического волокна, даже невосприимчива к электромагнитным импульсам, генерируемым ядерными устройствами.

В медных кабельных системах используется большое количество меди, и они были нацелены на кража металла, начиная с товарного бума 2000-х годов.

Датчики

Волокна нашли множество применений в дистанционном зондировании. В некоторых приложениях датчик сам по себе представляет собой оптоволокно. В других случаях оптоволоконный датчик используется для подключения к измерительной системе. В зависимости от приложения, оптоволокно может использоваться из-за его небольшого размера, или того факта, что в удаленном месте не требуется электроэнергии, или потому что многие датчики могут быть мультиплексированы вдоль длины волокна за счет использования разных длин волн света для каждого датчика или определения временной задержки, когда свет проходит по волокну через каждый датчик. Временную задержку можно определить с помощью такого устройства, как оптический рефлектометр временной области.

Оптические волокна могут использоваться в качестве датчиков для измерения деформации, температуры, давление и другие величины путем модификации волокна таким образом, чтобы измеряемое свойство модулировало интенсивность, фаза, поляризация, длина волны, или время прохождения света в волокне. Датчики, которые изменяют интенсивность света, являются самыми простыми, поскольку требуются только простой источник и детектор. Особенно полезной особенностью таких оптоволоконных датчиков является то, что они могут, при необходимости, обеспечивать распределенное зондирование на расстояниях до одного метра. Напротив, измерения с высокой степенью локализации могут быть обеспечены за счет интеграции миниатюрных чувствительных элементов с кончиком волокна. Они могут быть реализованы с помощью различных технологий микро- и нанообработки, так что они не выходят за микроскопические границы кончика волокна, что позволяет вводить их в кровеносные сосуды с помощью иглы для подкожных инъекций.

Внешние волоконно-оптические датчики используют волоконно-оптический кабель, обычно многомодовый, для передачи модулированного света либо от неволоконно-оптического датчика, либо от электронный датчик, подключенный к оптическому передатчику. Основным преимуществом внешних датчиков является их способность достигать труднодоступных мест. Примером может служить измерение температуры внутри летательного аппарата реактивного двигателя с использованием волокна для передачи излучения в излучательный пирометр вне двигателя. Внешние датчики могут использоваться таким же образом для измерения внутренней температуры электрических трансформаторов, где наличие экстремальных электромагнитных полей делает невозможными другие методы измерения. Внешние датчики измеряют вибрацию, вращение, смещение, скорость, ускорение, крутящий момент и кручение. Разработан твердотельный вариант гироскопа, использующий интерференцию света. Волоконно-оптический гироскоп (FOG) не имеет движущихся частей и использует эффект Саньяка для обнаружения механического вращения.

Обычно волоконно-оптические датчики используют передовые системы безопасности обнаружения вторжений. Свет передается по оптоволоконному сенсорному кабелю, размещенному на заборе, трубопроводе или коммуникационном кабеле, а возвращенный сигнал отслеживается и анализируется на предмет помех. Этот ответный сигнал обрабатывается в цифровой форме для обнаружения нарушений и срабатывания сигнализации в случае проникновения.

Оптические волокна широко используются в качестве компонентов оптических химических датчиков и оптических биосенсоров.

Передача энергии

Оптическое волокно может использоваться для передачи энергии с помощью фотоэлектрических элементов для преобразования света в электричество. Хотя этот метод передачи энергии не так эффективен, как традиционные, он особенно полезен в ситуациях, когда желательно не иметь металлического проводника, как в случае использования рядом с аппаратами МРТ, которые создают сильные магнитные поля. Другие примеры относятся к питанию электроники в антенных элементах большой мощности и измерительных устройствах, используемых в высоковольтном передающем оборудовании.

Другое применение

A фрисби, освещаемый волоконной оптикой Свет, отраженный от оптического волокна, освещает выставленную модель

Оптические волокна имеют широкий спектр применений. Они используются в качестве световодов в медицине и других приложениях, где необходимо направить яркий свет на цель без четкого пути прямой видимости. В некоторых зданиях оптические волокна направляют солнечный свет с крыши в другие части здания (см. оптика без изображений ). Волоконно-оптические лампы используются для освещения в декоративных целях, включая знаки, искусство, игрушки и искусственные елки. Оптическое волокно является неотъемлемой частью светопропускающего изделия из бетона LiTraCon.

. Оптическое волокно также может использоваться для мониторинга состояния конструкций. Этот тип датчика способен обнаруживать напряжения, которые могут иметь длительное воздействие на конструкции. Он основан на принципе измерения аналогового затухания.

Использование оптического волокна в декоративной лампе или ночнике.

Оптоволокно также используется в оптике формирования изображений. Связанный пучок волокон используется, иногда вместе с линзами, для длинного тонкого устройства формирования изображений, называемого эндоскопом, которое используется для просмотра объектов через небольшое отверстие. Медицинские эндоскопы используются для малоинвазивных исследовательских или хирургических процедур. Промышленные эндоскопы (см. фиброскоп или бороскоп ) используются для осмотра всего труднодоступного, например внутренних частей реактивного двигателя. Многие микроскопы используют волоконно-оптические источники света для обеспечения интенсивного освещения исследуемых образцов.

В спектроскопии жгуты оптических волокон передают свет от спектрометра к веществу, которое нельзя поместить внутрь самого спектрометра, для анализа его состава. Спектрометр анализирует вещества, отражая свет от них и сквозь них. Используя волокна, спектрометр можно использовать для дистанционного изучения объектов.

Оптическое волокно , легированное некоторыми редкоземельными элементами, такими как эрбий может использоваться как усиливающая среда в лазере или оптическом усилителе. Оптические волокна, легированные редкоземельными элементами, могут использоваться для усиления сигнала путем сращивания короткого участка легированного волокна в обычную (нелегированную) волоконную линию. Легированное волокно снабжено оптической накачкой второй длиной волны лазера, которая вводится в линию в дополнение к сигнальной волне. Обе длины волн света проходят через легированное волокно, которое передает энергию от второй длины волны накачки к сигнальной волне. Процесс, вызывающий усиление, - это стимулированное излучение..

Оптоволокно также широко используется в качестве нелинейной среды. Стеклянная среда поддерживает множество нелинейных оптических взаимодействий, а большая длина взаимодействия, возможная в волокне, способствует возникновению множества явлений, которые используются для приложений и фундаментальных исследований. И наоборот, нелинейность волокна может оказывать вредное воздействие на оптические сигналы, и часто требуются меры для минимизации таких нежелательных эффектов.

Оптические волокна, легированные датчиком длины волны собирают сцинтилляционный свет в физических экспериментах.

Волоконно-оптические прицелы для пистолетов, винтовок и т. Д. В ружьях используются отрезки оптического волокна для улучшения видимости маркировки на прицеле.

Принцип работы

Файл: Fiber-engineeringguy.ogv Воспроизведение носителя Обзор принципов работы оптического волокна

Оптическое волокно представляет собой цилиндрический диэлектрический волновод (непроводящий волновод), который пропускает свет вдоль своей оси за счет процесса полного внутреннего отражения. Волокно состоит из сердцевины, окруженной слоем оболочки , оба из которых изготовлены из диэлектрических материалов . Чтобы ограничить оптический сигнал в сердечнике, показатель преломления сердечника должен быть больше, чем у оболочки. Граница между сердцевиной и оболочкой может быть резкой в ​​волокне со ступенчатым показателем преломления или плавной в волокне с градиентным коэффициентом преломления. Свет можно подавать в оптические волокна с помощью лазеров или светодиодов.

Показатель преломления

Показатель преломления (или показатель преломления) - это способ измерения скорости света в материале. Свет распространяется быстрее всего в вакууме, например, в космическом пространстве. Скорость света в вакууме составляет около 300 000 километров (186 000 миль) в секунду. Показатель преломления среды рассчитывается путем деления скорости света в вакууме на скорость света в этой среде. Следовательно, показатель преломления вакуума по определению равен 1. Типичное одномодовое волокно, используемое для телекоммуникаций, имеет оболочку из чистого кремнезема с индексом 1,444 на длине волны 1500 нм и сердцевину из легированного диоксида кремния с индексом около 1,4475. Чем больше показатель преломления, тем медленнее распространяется свет в этой среде. Исходя из этой информации, простое практическое правило состоит в том, что сигнал, использующий оптическое волокно для связи, будет распространяться со скоростью около 200000 километров в секунду. Другими словами, сигналу потребуется 5 миллисекунд, чтобы пройти 1000 километров по оптоволокну. Таким образом, телефонный звонок, передаваемый по оптоволокну между Сиднеем и Нью-Йорком, на расстоянии 16 000 километров, означает, что минимальная задержка составляет 80 миллисекунд (около 1 12 {\ displaystyle {\ tfrac {1} {12}}}{\ tfrac {1} {12}} секунды) между тем, когда один звонящий говорит, и другой слышит. (В этом случае волокно, вероятно, будет проходить более длинный маршрут, и возникнут дополнительные задержки из-за переключения оборудования связи и процесса кодирования и декодирования голоса в волокне).

Большинство современных оптических волокон слабо направляющие, что означает, что разница в показателях преломления между сердцевиной и оболочкой очень мала (обычно менее 1%).

Полное внутреннее отражение

Когда свет, движущийся в оптически плотной среде, попадает на границу под крутым углом (больше критического угла границы), свет полностью отражается. Это называется полным внутренним отражением. Этот эффект используется в оптических волокнах для ограничения света в сердцевине. Свет проходит через сердцевину волокна, отражаясь назад и вперед от границы между сердцевиной и оболочкой. Поскольку свет должен попадать на границу под углом, превышающим критический угол, только свет, который входит в волокно в определенном диапазоне углов, может проходить по волокну без утечки. Этот диапазон углов называется приемным конусом волокна. Размер этого приемного конуса зависит от разницы показателей преломления между сердцевиной и оболочкой волокна.

Проще говоря, существует максимальный угол от оси волокна, под которым свет может проникать в волокно, так что он будет распространяться или перемещаться по сердцевине волокна. синус этого максимального угла - это числовая апертура (NA) волокна. Волокно с большей числовой апертурой требует меньшей точности для сварки и работы, чем волокно с меньшей числовой апертурой. Одномодовое волокно имеет небольшую числовую апертуру.

Многомодовое волокно

Распространение света через многомодовое оптическое волокно. Лазер отражается от акрилового стержня, демонстрируя полное внутреннее отражение свет в многомодовом оптическом волокне.

Волокно с большим диаметром сердцевины (более 10 микрометров) может быть проанализировано с помощью геометрической оптики. Такое волокно называется многомодовым волокном из электромагнитного анализа (см. Ниже). В многомодовом волокне со ступенчатым показателем преломления лучи света направляются вдоль сердцевины волокна за счет полного внутреннего отражения. Лучи, которые встречаются с границей сердцевина-оболочка под большим углом (измеренным относительно линии нормали к границе), превышающим критический угол для этой границы, полностью отражаются. Критический угол (минимальный угол полного внутреннего отражения) определяется разницей в показателях преломления между материалами сердцевины и оболочки. Лучи, которые встречаются с границей под небольшим углом, преломляются от сердцевины в оболочку и не переносят свет и, следовательно, информацию по волокну. Критический угол определяет угол приема волокна, который часто обозначается как числовая апертура . Высокая числовая апертура позволяет свету распространяться вниз по волокну в лучах как близко к оси, так и под разными углами, обеспечивая эффективное попадание света в волокно. Однако эта высокая числовая апертура увеличивает величину дисперсии, поскольку лучи под разными углами имеют разные длины пути и, следовательно, разное время проходят через волокно.

Типы оптического волокна.

В волокне с градиентным коэффициентом преломления показатель преломления в сердцевине непрерывно уменьшается между осью и оболочкой. Это заставляет световые лучи плавно изгибаться по мере приближения к оболочке, а не резко отражаться от границы сердцевина-оболочка. Полученные в результате изогнутые траектории уменьшают многолучевую дисперсию, поскольку лучи с большим углом проходят больше через периферию сердечника с более низким показателем, чем через центр с высоким показателем. Профиль показателя преломления выбирается таким образом, чтобы минимизировать разницу в осевых скоростях распространения различных лучей в волокне. Этот идеальный профиль индекса очень близок к параболической зависимости между индексом и расстоянием от оси.

Одномодовое волокно

Структура типичного одномодового волокна.. 1. Сердечник: диаметр 8 мкм. 2. Оболочка: диаметр 125 мкм.. 3. Буфер: диаметр 250 мкм.. 4. Оболочка: диаметр 400 мкм.

Волокно с диаметром сердцевины примерно в десять раз меньше длины волны распространяющегося света нельзя моделировать с помощью геометрической оптики. Вместо этого она должна быть проанализирована как структура электромагнитного волновода путем решения уравнения Максвелла, сведенного к уравнению электромагнитной волны. Электромагнитный анализ также может потребоваться для понимания поведения, такого как спеклы, которые возникают, когда когерентный свет распространяется в многомодовом волокне. В качестве оптического волновода волокно поддерживает одну или несколько ограниченных поперечных мод , с помощью которых свет может распространяться вдоль волокна. Волокно, поддерживающее только один режим, называется одномодовым или одномодовым волокном. Поведение многомодового волокна с крупной сердцевиной также можно смоделировать с помощью волнового уравнения, которое показывает, что такое волокно поддерживает более одного режима распространения (отсюда и название). Результаты такого моделирования многомодового волокна приблизительно согласуются с предсказаниями геометрической оптики, если сердцевина волокна достаточно велика, чтобы поддерживать более нескольких мод.

Анализ волновода показывает, что световая энергия в волокне не полностью ограничивается сердцевиной. Вместо этого, особенно в одномодовых волокнах, значительная часть энергии связанной моды проходит в оболочке в виде затухающей волны.

. Самый распространенный тип одномодового волокна имеет диаметр сердцевины 8–10 микрометров и предназначен для использования в ближнем инфракрасном диапазоне. Модовая структура зависит от длины волны используемого света, так что это волокно фактически поддерживает небольшое количество дополнительных мод на видимых длинах волн. Для сравнения, многомодовое волокно производится с диаметром сердцевины от 50 микрометров до сотен микрометров. Нормализованная частота V для этого волокна должна быть меньше первого нуля функции функции Бесселя J0(приблизительно 2,405).

Волокно специального назначения

Некоторые оптические волокна специального назначения сконструированы с нецилиндрической сердцевиной и / или слоем оболочки, обычно с эллиптическим или прямоугольным поперечным сечением. К ним относятся поддерживающее поляризацию волокно и волокно, предназначенное для подавления распространения моды моды шепчущей галереи. Волокно с сохранением поляризации - это уникальный тип волокна, которое обычно используется в оптоволоконных датчиках из-за его способности поддерживать поляризацию света, вставленного в него.

Фотонно-кристаллическое волокно выполнено с регулярным рисунком изменения показателя преломления (часто в виде цилиндрических отверстий, проходящих по длине волокна). Такое волокно использует эффекты дифракции вместо или в дополнение к полному внутреннему отражению, чтобы ограничить свет до сердцевины волокна. Свойства волокна можно адаптировать к широкому спектру применений.

Механизмы затухания

Экспериментальная кривая затухания многомодового кварцевого волокна с низкими потерями и волокна ZBLAN. Теоретические спектры потерь (затухание, дБ / км) для оптического волокна из кремнезема (пунктирная синяя линия) и типичного оптического волокна ZBLAN волокно (сплошная серая линия) как функция длины волны (микрон).

Затухание в волоконной оптике, также известное как потери при передаче, - это уменьшение интенсивности светового луча (или сигнала) при его прохождении через среду передачи. Коэффициенты затухания в волоконной оптике обычно используют единицы дБ / км через среду из-за относительно высокого качества прозрачности современных оптических сред передачи. Среда обычно представляет собой стекловолокно из кварцевого стекла, которое ограничивает падающий луч света внутрь. Для приложений, требующих спектральных длин волн, особенно в средней инфракрасной области ~ 2–7 мкм, лучшей альтернативой являются фторидные стекла, такие как ZBLAN и InF3. Затухание - важный фактор, ограничивающий передачу цифрового сигнала на большие расстояния. Таким образом, большое количество исследований было направлено как на ограничение ослабления, так и на максимальное усиление оптического сигнала. Фактически, уменьшение затухания в оптических волокнах из кварцевого стекла на четыре порядка за четыре десятилетия (с ~ 1000 дБ / км в 1965 г. до ~ 0,17 дБ / км в 2005 г.), как показано на соседнем изображении (черные треугольные точки; серые стрелки), был результатом постоянного улучшения производственных процессов, чистоты сырья, конструкции преформ и волокон, что позволило этим волокнам приблизиться к теоретическому нижнему пределу затухания. Эмпирические исследования показали, что затухание в оптическом волокне в первую очередь вызвано как рассеянием, так и поглощением. Одномодовые оптические волокна можно изготавливать с очень низкими потерями. Волокно Corning SMF-28, стандартное одномодовое волокно для телекоммуникационных длин волн, имеет потери 0,17 дБ / км на длине волны 1550 нм. Например, SMF-28 длиной 8 км пропускает почти 75% света на длине волны 1550 нм. Было отмечено, что если бы океанская вода была такой же чистой, как волокно, можно было бы видеть дно даже Марианской впадины в Тихом океане, глубиной 36 000 футов.

.

Рассеяние света

Зеркальное отражение Диффузное отражение

Распространение света через сердцевину оптического волокна основано на полном внутреннем отражении световой волны. Шероховатые и неровные поверхности, даже на молекулярном уровне, могут вызывать отражение световых лучей в случайных направлениях. Это называется диффузным отражением или рассеянием и обычно характеризуется большим разнообразием углов отражения.

Рассеяние света зависит от длины волны рассеиваемого света. Таким образом, возникают ограничения для пространственных масштабов видимости в зависимости от частоты падающей световой волны и физического размера (или пространственного масштаба) рассеивающего центра, который обычно имеет форму некоторой конкретной микроструктурной особенности. Поскольку видимый свет имеет длину волны порядка одного микрометра (одна миллионная метра), центры рассеяния будут иметь размеры в аналогичном пространственном масштабе.

Таким образом, ослабление возникает в результате некогерентного рассеяния света на внутренних поверхностях и границах раздела. В (поли) кристаллических материалах, таких как металлы и керамика, помимо пор, большая часть внутренних поверхностей или границ раздела имеет форму границ зерен, которые разделяют крошечные области кристаллического порядка. Недавно было показано, что, когда размер рассеивающего центра (или границы зерен) уменьшается ниже размера длины волны рассеиваемого света, рассеяние больше не происходит в какой-либо значительной степени. Это явление привело к производству прозрачных керамических материалов.

. Аналогичным образом, рассеяние света в стекловолокне оптического качества вызвано неоднородностями молекулярного уровня (колебаниями состава) в структуре стекла. Действительно, одна из новых школ мысли состоит в том, что стекло - это просто предельный случай поликристаллического твердого тела. В этих рамках «домены», проявляющие различную степень ближнего порядка, становятся строительными блоками как металлов, так и сплавов, а также стекла и керамики. Как между этими доменами, так и внутри них распределены микроструктурные дефекты, которые обеспечивают наиболее идеальные места для рассеяния света. Это же явление рассматривается как один из ограничивающих факторов прозрачности ИК-куполов ракет.

При высоких оптических мощностях рассеяние также может быть вызвано нелинейными оптическими процессами в волокне.

УФ -Поглощение в видимом ИК-диапазоне

Помимо рассеяния света, ослабление или потеря сигнала также может происходить из-за избирательного поглощения определенных длин волн, подобно тому, как это отвечает за появление цвета. Основные соображения по материалам включают как электроны, так и молекулы, а именно:

  • На электронном уровне это зависит от того, Например, электронные орбитали разнесены (или «квантованы») таким образом, что они могут поглощать квант света (или фотон) определенной длины волны или частоты в ультрафиолетовом (УФ) или видимом диапазонах. Это то, что дает начало цвету.
  • На атомном или молекулярном уровне это зависит от частот атомных или молекулярных колебаний или химических связей, от того, насколько плотно упакованы его атомы или молекулы, и от того, атомы или молекулы демонстрируют дальний порядок. Эти факторы будут определять способность материала передавать более длинные волны в инфракрасном (ИК), дальнем ИК, радио- и микроволновом диапазонах.

Конструкция любого оптически прозрачного устройства требует выбора материалов на основе знания его свойств и ограничений.. Характеристики решетки поглощения, наблюдаемые в областях более низких частот (от среднего до дальнего инфракрасного диапазона длин волн), определяют длинноволновый предел прозрачности материала. Они являются результатом интерактивного взаимодействия между движениями термически индуцированных колебаний составляющих атомов и молекул твердой решетки и падающего излучения световой волны. Следовательно, все материалы ограничены ограниченными областями поглощения, вызванными атомными и молекулярными колебаниями (растяжение связи) в дальней инфракрасной области (>10 мкм).

Таким образом, многофононное поглощение происходит, когда два или более фонона одновременно взаимодействуют, создавая электрические дипольные моменты, с которыми может взаимодействовать падающее излучение. Эти диполи могут поглощать энергию падающего излучения, достигая максимальной связи с излучением, когда частота равна основной колебательной моде молекулярного диполя (например, связи Si – O) в дальней инфракрасной области спектра или одной из его гармоник.

Избирательное поглощение инфракрасного (ИК) света конкретным материалом происходит потому, что выбранная частота световой волны совпадает с частотой (или целым числом, кратным частоте), с которой частицы этого материала вибрируют. Поскольку разные атомы и молекулы имеют разные собственные частоты колебаний, они избирательно поглощают разные частоты (или части спектра) инфракрасного (ИК) света.

Отражение и передача световых волн происходит, потому что частоты световых волн не соответствуют естественным резонансным частотам вибрации объектов. Когда инфракрасный свет этих частот попадает на объект, энергия либо отражается, либо передается.

Бюджет потерь

Затухание на кабельной трассе значительно увеличивается за счет включения соединителей и стыков. При вычислении допустимого затухания (бюджета потерь) между передатчиком и приемником оно включает: потери

  • дБ из-за типа и длины оптоволоконного кабеля,
  • потерь в дБ, вносимых разъемами, и
  • дБ потери из-за сращивания.

Коннекторы обычно дают 0,3 дБ на коннектор на хорошо отполированных коннекторах. Соединения обычно вносят менее 0,3 дБ на соединение.

Общие потери можно рассчитать по формуле:

Потери = потери в дБ на соединитель × количество соединителей + потери в дБ на соединение × количество соединений + потери в дБ на километр × километры волокна,

где Потери в дБ на километр зависят от типа волокна и могут быть найдены в спецификациях производителя. Например, типичное одномодовое волокно с длиной волны 1550 нм имеет потери 0,4 дБ на километр.

Расчетный бюджет потерь используется при тестировании для подтверждения того, что измеренные потери находятся в пределах нормальных рабочих параметров.

Производство

Материалы

Стеклянные оптические волокна почти всегда изготавливаются из кремнезема, но из некоторых других материалов, таких как фторцирконат, фторалюминатные и халькогенидные стекла, а также кристаллические материалы, такие как сапфир, используются для длинноволнового инфракрасного излучения или других специализированных приложений. Кремнеземные и фторидные стекла обычно имеют показатели преломления около 1,5, но некоторые материалы, такие как халькогениды, могут иметь показатели до 3. Обычно разница показателей преломления между сердцевиной и оболочкой составляет менее одного процента.

Пластиковые оптические волокна (POF) обычно представляют собой многомодовые волокна со ступенчатым показателем преломления и диаметром сердцевины 0,5 миллиметра или больше. POF обычно имеют более высокие коэффициенты затухания, чем стеклянные волокна, 1 дБ / м или выше, и это высокое затухание ограничивает диапазон систем на основе POF.

Кремнезем

Кремнезем демонстрирует довольно хорошее оптическое пропускание в широком диапазоне длин волн. В ближней инфракрасной (ближней ИК) части спектра, в частности около 1,5 мкм, диоксид кремния может иметь чрезвычайно низкие потери на поглощение и рассеяние порядка 0,2 дБ / км. Такие удивительно низкие потери возможны только потому, что доступен сверхчистый кремний, необходимый для производства интегральных схем и дискретных транзисторов. Высокая прозрачность в области 1,4 мкм достигается за счет поддержания низкой концентрации гидроксильных групп (OH). В качестве альтернативы, высокая концентрация ОН лучше для пропускания в ультрафиолетовой (УФ) области.

Диоксид кремния может быть втянут в волокна при достаточно высоких температурах и имеет достаточно широкий диапазон преобразования стекла. Еще одно преимущество состоит в том, что сращивание оплавлением и расщепление волокон диоксида кремния является относительно эффективным. Волокно из диоксида кремния также обладает высокой механической прочностью как на растяжение, так и на изгиб, при условии, что волокно не слишком толстое и поверхность хорошо подготовлена ​​во время обработки. Даже простое скалывание (разрыв) концов волокна может обеспечить идеально ровные поверхности с приемлемым оптическим качеством. Диоксид кремния также относительно химически инертен. В частности, он не гигроскопичен (не впитывает воду).

Кремнеземное стекло может быть легировано различными материалами. Одна из целей легирования - повысить показатель преломления (например, с диоксидом германия (GeO 2) или оксидом алюминия (Al 2O3)) или для его снижения (например, с помощью фтора или триоксида бора (B2O3)). Допирование также возможно с помощью лазерно-активных ионов (например, волокон, легированных редкоземельными элементами), чтобы получить активные волокна, которые будут использоваться, например, в волоконных усилителях или в применениях лазера. И сердцевина волокна, и оболочка обычно легированы, так что вся сборка (сердцевина и оболочка) фактически состоит из одного и того же соединения (например, алюмосиликатного, германосиликатного, фосфосиликатного или боросиликатного стекла ).

В частности, для активных волокон чистый диоксид кремния обычно не очень подходит для стекла-хозяина, поскольку он проявляет низкую растворимость для ионов редкоземельных элементов. Это может привести к эффектам тушения из-за кластеризации ионов допанта. В этом отношении гораздо эффективнее алюмосиликаты.

Кремнеземное волокно также имеет высокий порог оптического повреждения. Это свойство обеспечивает низкую склонность к лазерному пробою. Это важно для волоконных усилителей, когда они используются для усиления коротких импульсов.

Благодаря этим свойствам кремнеземные волокна являются предпочтительным материалом для многих оптических приложений, таких как связь (за исключением очень коротких расстояний с использованием пластикового оптического волокна), волоконных лазеров, волоконных усилителей и волоконно-оптических датчиков. Большие усилия, приложенные к разработке различных типов волокон из диоксида кремния, позволили еще больше улучшить характеристики таких волокон по сравнению с другими материалами.

Фторидное стекло

Фторидное стекло - это класс безоксидных оптических свойств. стекла, состоящие из фторидов различных металлов. Из-за их низкой вязкости очень трудно полностью избежать кристаллизации при его переработке через стеклование (или вытягивании волокна из расплава). Таким образом, хотя фторидные стекла тяжелых металлов (HMFG) демонстрируют очень низкое оптическое затухание, они не только сложны в производстве, но и довольно хрупки, и имеют плохую стойкость к влаге и другим воздействиям окружающей среды. Их лучшим признаком является отсутствие полосы поглощения, связанной с группой гидроксильной (OH) (3,200–3,600 см; т. Е. 2,777–3,125 нм или 2,78–3,13 мкм), которая присутствует почти во всех оксидах. очки на основе.

Примером фторидного стекла с тяжелыми металлами является группа стекла ZBLAN, состоящая из циркония, бария, лантана <107.>, фториды алюминия и натрия. Их основное технологическое применение - это оптические волноводы как в планарной, так и в волоконной форме. Они особенно полезны в диапазоне среднего инфракрасного (2000–5000 нм).

HMFG изначально предназначались для применения в оптических волокнах, потому что собственные потери волокна среднего ИК диапазона в принципе могут быть ниже, чем у волокон кремнезема, которые прозрачны только до примерно 2 мкм. Однако такие низкие потери никогда не были реализованы на практике, а хрупкость и высокая стоимость фторидных волокон сделали их менее чем идеальными в качестве основных кандидатов. Позже была обнаружена полезность фторидных волокон для различных других применений. К ним относятся ИК-спектроскопия, волоконно-оптические датчики, термометрия и визуализация. Кроме того, фторидные волокна могут использоваться для направленной передачи световых волн в таких средах, как YAG (иттрий-алюминиевый гранат ) лазеры на 2,9 мкм, как требуется для медицинских приложений (например, офтальмология и стоматология ).

Фосфатное стекло

Структура P 4O10, напоминающая ракушечник - основной строительный блок для фосфатного стекла

Фосфатное стекло, представляет собой класс оптических стекол, состоящих из метафосфатов. из различных металлов. Вместо тетраэдров SiO 4, наблюдаемых в силикатных стеклах, строительным блоком для этого стеклообразователя является пятиокись фосфора (P2O5), которая кристаллизуется по меньшей мере в четырех различных формах. Наиболее известный полиморф (см. Рисунок) содержит молекулы P 4O10.

. Фосфатные стекла могут иметь преимущество перед кварцевыми стеклами для оптических волокон с высокой концентрацией легирующих ионов редкоземельных элементов. Смесь фторидного стекла и фосфатного стекла представляет собой фторфосфатное стекло.

Халькогенидное стекло

халькогены - элементы в группе 16 из таблица Менделеева - в частности, сера (S), селен (Se) и теллур (Te) - взаимодействуют с более электроположительными элементы, такие как серебро, с образованием халькогенидов. Это чрезвычайно универсальные соединения, поскольку они могут быть кристаллическими или аморфными, металлическими или полупроводниковыми, а также проводниками ионов или электронов. Стекло, содержащее халькогениды, может быть использовано для изготовления волокон для передачи в дальней инфракрасной области.

Процесс

Преформа

Иллюстрация модифицированного процесса химического осаждения из паровой фазы (внутри)

Стандартные оптические волокна изготавливаются путем создания «преформы» большого диаметра с тщательно контролируемым профилем показателя преломления, а затем «вытягивания» преформы с образованием длинного тонкого оптического волокна. Преформа обычно изготавливается с помощью трех методов химического осаждения из паровой фазы : внутреннего осаждения из паровой фазы, внешнего осаждения из паровой фазы и осевого осаждения из паровой фазы. приблизительно 40 сантиметров (16 дюймов) в длину, который размещается горизонтально и медленно вращается на токарном станке . В газы, такие как тетрахлорид кремния (SiCl 4) или тетрахлорид германия (GeCl 4), вводят кислород в конце трубки. Затем газы нагреваются с помощью внешней водородной горелки, в результате чего температура газа достигает 1900 K (1600 ° C, 3000 ° F), при этом тетрахлориды реагируют с кислородом с образованием частицы кремнезема или германия (диоксид германия). Когда условия реакции выбираются так, чтобы эта реакция протекала в газовой фазе по всему объему трубки, в отличие от более ранних методов, где реакция происходила только на поверхности стекла, этот метод называется (MCVD).

Затем частицы оксида агломерируются с образованием крупных цепочек частиц, которые впоследствии осаждаются на стенках трубки в виде сажи. Осаждение происходит из-за большой разницы температур между газовым ядром и стенкой, заставляющей газ выталкивать частицы наружу (это известно как термофорез ). Затем резак перемещается вверх и вниз по длине трубы для равномерного нанесения материала. После того, как горелка достигает конца трубы, ее возвращают в начало трубы, и осажденные частицы затем плавятся с образованием твердого слоя. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет нанесено достаточное количество материала. Состав каждого слоя может быть изменен путем изменения состава газа, что позволяет точно контролировать оптические свойства готового волокна.

При внешнем осаждении из паровой фазы или осевом осаждении из паровой фазы стекло образуется в результате гидролиза в пламени, реакции, в которой тетрахлорид кремния и тетрахлорид германия окисляются посредством реакции с водой (H 2 O) в пламя кислородсодержащего водорода. При внешнем осаждении из паровой фазы стекло наносится на твердый стержень, который удаляется перед дальнейшей обработкой. При осевом осаждении из паровой фазы используется короткий затравочный стержень, и на его конце создается пористая заготовка, длина которой не ограничивается размером исходного стержня. Пористую преформу объединяют в прозрачную твердую преформу путем нагрева до примерно 1800 К (1500 ° C, 2800 ° F).

Поперечное сечение волокна, вытянутого из D-образной заготовки .

В типичном коммуникационном волокне используется круглая заготовка. Для некоторых применений, таких как волокна с двойной оболочкой, предпочтительна другая форма. В волоконных лазерах на основе волокна с двойной оболочкой асимметричная форма улучшает коэффициент заполнения для накачки лазера.

Из-за поверхностного натяжения форма сглаживается во время процесс вытяжки, и форма полученного волокна не воспроизводит острые края преформы. Тем не менее, тщательная полировка преформы важна, поскольку любые дефекты поверхности преформы влияют на оптические и механические свойства получаемого волокна. В частности, преформа для тестового волокна, показанного на рисунке, не была хорошо отполирована, и в конфокальный оптический микроскоп.

рисунок

можно увидеть трещины. Преформа, какой бы конструкции она ни была, помещается в устройство, известное как a, в котором наконечник преформы нагревается, а оптическое волокно вытягивается в виде нити. Измеряя ширину результирующего волокна, можно контролировать натяжение волокна для поддержания толщины волокна.

Покрытия

Свет направляется вниз по сердцевине волокна с помощью оптической оболочки с более низким показателем преломления, которая улавливает свет в сердцевине за счет полного внутреннего отражения.

Облицовка покрыта буфером, который защищает ее от влаги и физических повреждений. Буферное покрытие - это то, что снимается с волокна для заделки или сращивания. Эти покрытия представляют собой отверждаемые УФ-излучением композитные материалы или полиимид материалы, наносимые на внешнюю сторону волокна в процессе вытяжки. Покрытия защищают очень тонкие пряди стекловолокна размером с человеческий волос и позволяют выдерживать суровые условия производства, контрольных испытаний, прокладки кабелей и установки.

В современных процессах вытяжки стекловолокна используется двухслойное покрытие. Внутреннее первичное покрытие действует как амортизатор, чтобы минимизировать затухание, вызванное микроизгибом. Внешнее вторичное покрытие защищает первичное покрытие от механических повреждений и действует как барьер для боковых сил, и может быть окрашено для различения жил в связанных кабельных конструкциях.

Эти слои волоконно-оптического покрытия наносятся во время вытяжки волокна со скоростью, приближающейся к 100 км в час (60 миль в час). Волоконно-оптические покрытия наносятся одним из двух методов: мокрым по сухому и мокрым по мокрому. В режиме «мокрый по сухому» волокно проходит через первичное покрытие, которое затем подвергается УФ-отверждению, а затем через вторичное покрытие, которое затем отверждается. В режиме «мокрый по мокрому» волокно проходит как первичное, так и вторичное покрытие, а затем подвергается УФ-отверждению.

Волоконно-оптические покрытия наносятся концентрическими слоями, чтобы предотвратить повреждение волокна во время вытяжки и максимизировать прочность волокна и сопротивление микроизгибам. Волокно с неравномерным покрытием будет испытывать неоднородные силы при расширении или сжатии покрытия и подвержено большему затуханию сигнала. При надлежащих процессах вытяжки и нанесения покрытия покрытия концентричны вокруг волокна, непрерывны по всей длине нанесения и имеют постоянную толщину.

Толщина покрытия учитывается при расчете напряжения, которое испытывает волокно при различных конфигурациях изгиба. Когда волокно с покрытием наматывается на оправку, напряжение, испытываемое волокном, определяется как

σ = E dfdm + dc {\ displaystyle \ sigma = E {d_ {f} \ over d_ {m} + d_ {c }}}{\ displaystyle \ sigma = E {d_ {f} \ over d_ {m} + d_ {c}}} ,

где E - модуль Юнга волокна, d m - диаметр оправки, d f - диаметр оболочки и d c - диаметр покрытия.

В конфигурации двухточечного изгиба волокно с покрытием изгибается U-образно и помещается между канавками двух лицевых панелей, которые сводятся вместе до тех пор, пока волокно не разорвется. Напряжение в волокне в этой конфигурации определяется выражением

σ = 1,198 E dfd - dc {\ displaystyle \ sigma = 1.198E {d_ {f} \ over d-d_ {c}}}{\ displaystyle \ sigma = 1.198E {d_ {f} \ over d-d_ {c}}} ,

где d - расстояние между лицевыми панелями. Коэффициент 1,198 - геометрическая постоянная, связанная с этой конфигурацией.

Волоконно-оптические покрытия защищают стекловолокно от царапин, которые могут привести к снижению прочности. Сочетание влаги и царапин ускоряет старение и ухудшение прочности волокна. Когда волокно подвергается низким напряжениям в течение длительного периода, может возникнуть усталость волокна. Со временем или в экстремальных условиях эти факторы в совокупности вызывают распространение микроскопических дефектов в стекловолокне, что в конечном итоге может привести к повреждению волокна.

Условия окружающей среды могут влиять на три ключевые характеристики волоконно-оптических волноводов: прочность, затухание и устойчивость к потерям, вызванным микроизгибом. Внешние оболочки и буферные трубки волоконно-оптического кабеля защищают стекловолокно от условий окружающей среды, которые могут повлиять на характеристики волокна и его долговечность. Внутреннее покрытие обеспечивает надежность передаваемого сигнала и помогает минимизировать затухание из-за микроизгибов.

Практические вопросы

Конструкция кабеля

Волоконно-оптический кабель В практических волокнах оболочка обычно покрывается прочным покрытием из смолы и дополнительный буферный слой , который может быть дополнительно окружен слоем оболочки, обычно пластиковым. Эти слои добавляют волокну прочность, но не влияют на его свойства световода. В жестких волокнах иногда помещают светопоглощающее («темное») стекло между волокнами, чтобы свет, выходящий из одного волокна, не попадал в другое. Это уменьшает перекрестные помехи между волокнами или уменьшает бликов в системах визуализации пучков волокон.

Современные кабели выпускаются с широким разнообразием оболочек и брони, предназначенных для такие приложения, как прямое захоронение в траншеях, изоляция высокого напряжения, двойное использование в качестве линий электропередачи, установка в кабелепроводе, крепление к воздушным телефонным столбам, подводная установка и установка на мощеных улицах. В многожильном кабеле обычно используются цветные покрытия и / или буферы для идентификации каждой жилы. Стоимость небольших кабелей с оптоволоконным креплением на опорах значительно снизилась из-за высокого спроса на оптоволокно для домашних сетей (FTTH) в Японии и Южной Корее.

Волоконный кабель может быть очень гибким, но потери в традиционном волокне значительно увеличиваются, если волокно изгибается с радиусом менее 30 мм. Это создает проблему, когда кабель изгибается по углам или наматывается на катушку, что усложняет установку FTTX. «Гибкие волокна», предназначенные для упрощения установки в домашних условиях, были стандартизированы как ITU-T G.657. Этот тип волокна можно изгибать с радиусом всего 7,5 мм без вредного воздействия. Были разработаны даже более гибкие волокна. Сгибаемое волокно также может быть устойчивым к взлому, когда сигнал в волокне незаметно отслеживается путем изгиба волокна и обнаружения утечки.

Другой важной особенностью кабеля является его способность выдерживать горизонтально приложенную силу. Технически это называется максимальной прочностью на растяжение, определяющей, какое усилие можно приложить к кабелю во время установки.

Некоторые варианты волоконно-оптических кабелей армированы арамидной пряжей или стекловолокном в качестве промежуточного звена. С коммерческой точки зрения использование стеклянной пряжи более экономично, при этом не теряется механическая прочность кабеля. Стеклянная пряжа также защищает сердечник кабеля от грызунов и термитов.

Концевание и стыковка

соединителей ST на многомодовом волокне

Оптические волокна подключаются к оконечному оборудованию с помощью волоконно-оптических соединителей. Эти разъемы обычно стандартного типа, например FC, SC, ST, LC, MTRJ, MPO или SMA. Оптические волокна могут быть соединены друг с другом соединителями или постоянно путем сращивания, то есть соединения двух волокон вместе с образованием непрерывного оптического волновода. Общепринятым способом сварки является сварка оплавлением, при котором концы волокна плавятся вместе с помощью электрической дуги. Для более быстрого крепления используется «механическое соединение».

Сварка оплавлением выполняется с помощью специального инструмента. С концов волокон сначала удаляют защитное полимерное покрытие (а также более прочную внешнюю оболочку, если таковая имеется). Концы скалываются (обрезаются) с помощью точного скалывателя, чтобы сделать их перпендикулярными, и помещаются в специальные держатели в сварочном аппарате для оплавления. Склейку обычно проверяют через увеличенный экран, чтобы проверить сколы до и после сварки. Сварочный аппарат использует небольшие двигатели для совмещения торцевых поверхностей вместе и испускает небольшую искру между электродами в зазоре, чтобы сжечь пыль и влагу. Затем сварочный аппарат генерирует большую искру, которая повышает температуру выше точки плавления стекла, навсегда сплавляя концы. Расположение и энергия искры тщательно контролируются, чтобы расплавленная сердцевина и оболочка не смешивались, и это сводит к минимуму оптические потери. Оценка потерь при сварке измеряется сварочным аппаратом, направляя свет через оболочку с одной стороны и измеряя свет, утекающий из оболочки с другой стороны. Типичные потери на сварке менее 0,1 дБ. Сложность этого процесса делает сращивание волокон намного сложнее, чем сращивание медной проволоки.

Механические соединители волокон спроектированы так, чтобы их можно было быстрее и проще устанавливать, но все же существует необходимость в зачистке, тщательной очистке и точном скалывании. Концы волокна выравниваются и удерживаются вместе с помощью прецизионной гильзы, часто с использованием прозрачного геля для согласования показателей индекса , который улучшает передачу света через соединение. Такие соединения обычно имеют более высокие оптические потери и менее надежны, чем соединения оплавлением, особенно если используется гель. Все методы сращивания включают установку корпуса, защищающего сращивание.

Волокна оканчиваются разъемами, которые точно и надежно удерживают конец волокна. Волоконно-оптический соединитель - это, по сути, жесткий цилиндрический корпус, окруженный гильзой, удерживающей ствол в ответном гнезде. Сопрягаемый механизм может быть нажатием и щелчком, поворотом и защелкой (байонетное крепление ) или ввинчиваемым (резьбовым). Цилиндр обычно может свободно перемещаться внутри втулки и может иметь ключ, который предотвращает вращение цилиндра и волокна при сопряжении разъемов.

Типовой разъем устанавливается путем подготовки конца волокна и его вставки в заднюю часть корпуса разъема. Для надежного закрепления волокна обычно используется быстросхватывающийся клей, а сзади крепится фиксатор натяжения. После схватывания клея конец волокна полируется до зеркального блеска. В зависимости от типа волокна и области применения используются различные профили полировки. Для одномодового волокна концы волокна обычно полируются с небольшой кривизной, из-за чего сопрягаемые разъемы соприкасаются только своими сердцевинами. Это называется полировкой физического контакта (ПК). Изогнутая поверхность может быть отполирована под углом для создания углового физического контакта (APC). Такие соединения имеют более высокие потери, чем соединения ПК, но значительно уменьшают обратное отражение, поскольку свет, отражающийся от наклонной поверхности, выходит из сердцевины волокна. Результирующая потеря мощности сигнала называется потерей зазора. Концы волокна APC имеют низкое обратное отражение даже в отсоединенном состоянии.

В 1990-е годы оконцовка оптоволоконных кабелей была трудоемкой. Количество деталей на разъем, полировка волокон и необходимость обжига эпоксидной смолы в каждом разъеме затрудняли заделку оптоволоконных кабелей. Сегодня на рынке представлено множество типов разъемов, которые предлагают более простые и менее трудоемкие способы заделки кабелей. Некоторые из самых популярных разъемов предварительно отполированы на заводе и содержат гель внутри разъема. Эти два шага помогают сэкономить деньги на рабочей силе, особенно на крупных проектах. Прорезь делается необходимой длины, чтобы максимально приблизиться к полированной детали, уже находящейся внутри соединителя. Гель окружает место встречи двух частей внутри соединителя, что снижает потери света. Долгосрочные эксплуатационные характеристики геля являются предметом рассмотрения при проектировании, поэтому для наиболее требовательных установок предварительно отполированные на заводе кабели достаточной длины для достижения первого кожуха сварного соединения обычно являются наиболее безопасным подходом, который минимизирует трудозатраты на месте.

Связь в свободном пространстве

Часто необходимо выровнять оптическое волокно с другим оптическим волокном или с оптоэлектронным устройством , например, светоизлучающим . диод, лазерный диод или модулятор. Это может включать либо тщательное выравнивание волокна и его приведение в контакт с устройством, либо использование линзы , чтобы обеспечить соединение через воздушный зазор. Обычно размер моды волокна намного больше, чем размер моды в лазерном диоде или кремниевом оптическом кристалле . В этом случае используется или для согласования распределения поля моды волокна с другим элементом. Линза на конце волокна может быть сформирована с помощью полировки, лазерной резки или сварки плавлением.

В лабораторных условиях оголенный конец волокна соединяется с помощью системы ввода волокна, в которой используется линза объектива микроскопа для фокусировки света в точную точку. Прецизионный преобразователь (таблица микропозиционирования) используется для перемещения линзы, волокна или устройства, что позволяет оптимизировать эффективность связи. Волокна с соединителем на конце значительно упрощают этот процесс: соединитель просто вставляется в предварительно выровненный оптоволоконный коллиматор, который содержит линзу, которая либо точно позиционируется по отношению к волокну, либо регулируется. Для достижения наилучшей эффективности инжекции в одномодовое волокно необходимо оптимизировать направление, положение, размер и расходимость луча. С хорошими балками может быть достигнута эффективность соединения от 70 до 90%.

При правильно отполированных одномодовых волокнах излучаемый пучок имеет почти идеальную гауссову форму - даже в дальнем поле - если используется хороший объектив. Линза должна быть достаточно большой, чтобы поддерживать полную числовую апертуру волокна, и не должна вносить аберрации в пучок. Обычно используются асферические линзы.

Волоконный предохранитель

При высокой оптической интенсивности, выше 2 мегаватт на квадратный сантиметр, когда волокно подвергается удару или иным образом внезапно повреждено, предохранитель волокна может происходят. Отражение от повреждения испаряет волокно непосредственно перед разрывом, и этот новый дефект остается отражающим, так что повреждение распространяется обратно к передатчику со скоростью 1–3 метра в секунду (4–11 км / ч, 2–8 миль в час). Система контроля открытого волокна, которая обеспечивает безопасность лазерного глаза в случае обрыва волокна, также может эффективно остановить распространение плавкого предохранителя волокна. В ситуациях, таких как подводные кабели, где можно использовать высокие уровни мощности без необходимости контроля обрыва волокна, устройство защиты «плавкий предохранитель волокна» на передатчике может разорвать цепь, чтобы свести к минимуму повреждения.

Хроматическая дисперсия

Показатель преломления волокон незначительно изменяется в зависимости от частоты света, а источники света не являются идеально монохроматическими. Модуляция источника света для передачи сигнала также немного расширяет полосу частот проходящего света. Это приводит к тому, что на больших расстояниях и при высоких скоростях модуляции свет разных частот может достигать приемника разное время, что в конечном итоге делает сигнал невозможным для распознавания и требует дополнительных ретрансляторов. Эту проблему можно решить несколькими способами, включая использование волокна относительно короткой длины, имеющего противоположный градиент показателя преломления.

См. Также

  • значок Портал электроники

Примечания

Ссылки

Дополнительная литература

Внешние ссылки

Wikimedia В Commons есть медиа, относящиеся к Оптические волокна.
Последняя правка сделана 2021-06-01 13:34:22
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте