Что такое волоконная оптика и ее применение

Области применения и возможности волоконной оптики.

Области применения и возможности волоконной оптики.

Волоконная оптика позволяет передавать информацию с существенно более высокими скоростями по сравнению с медными кабелями и имеет гораздо более приемлемую стоимость и меньше ограничений, чем другие технологии. Возможности волоконной оптики только начинают реализовываться. Волоконно-оптические линии превосходят по своим характеристикам аналоги, основанные на медном кабеле и микроволновой технологии, возможности которых имеют меньший потенциал развития, чем начинающая развиваться волоконно-оптическая технология. Волоконная оптика обещает стать неотъемлемой частью информационной революции, и частью всемирной кабельной сети.

Волоконная оптика эффективно используется в различных направлениях: соединение электронного оборудования в офисе с оборудованием в других офисах; трансляция переговоров через громадные расстояния; распространение по кабелю телевизионного изображения; безопасное соединение электронных блоков в автомобиле; управление производственными процессами в промышленности. Волоконная оптика является новой технологией, активно продолжающей свое развитие, но уже доказана необходимость ее применения как среды передачи для различных прикладных задач, а область ее применения постоянно существенно расширяется.

Волоконная оптика используется в компьютерных и сетевых технологиях. Волоконная оптика используется как коммуникационная среда, соединяющая электронные устройства. Волоконно-оптическая связь может быть организована между компьютером и его периферийными устройствами, между двумя телефонными станциями или между станком и его контроллером на автоматизированном заводе. Применение волоконной оптики связано с преобразованием электрического сигнала в световой и обратно, стоимость волоконной оптики пока достаточно высока, но преимущества волоконной оптики определяемые уникальными характеристиками оптоволокна делают его наиболее подходящей передающей средой во множестве различных областей техники. Эти уникальные характеристики оптоволокна органично согласовываются, позволяя передавать данные с высокой скоростью на большие дистанции и с небольшим числом ошибок. Оптоволоконные линии обеспечивают:

— широкую полосу пропускания линии;

— нечувствительность линий к электромагнитным помехам;

— малый вес и малый размер;

— безопасность и секретность.

Важность каждого из этих достоинств зависит от конкретного применения оптоволоконных линий. В одном случае широкая полоса пропускания и низкие потери являются самыми ценными характеристиками. В других случаях важна безопасность и секретность передачи данных, которые легко обеспечиваются при использовании волоконной оптики.

Потребности общества в передаче все больших и больших объемов информации электронным способом постоянно увеличиваются. Увеличение полосы пропускания передающей среды и частоты несущей потенциально увеличивают возможности передачи информации. Радиочастоты используемые для передачи выросли на пять порядков, от примерно 100 КГц до приблизительно 10 ГГц, но частоты светового сигнала на несколько порядков превосходят максимально-возможные частоты радиоволн.

Изобретение лазера, в котором свет используется в качестве несущей сразу увеличило потенциальный диапазон на четыре порядка — до 100 000 ГГц (или 100 терагерц, ТГц). Теоретически волоконная оптика может работать в диапазоне до 1 ТГц, однако практически используемый в настоящее время диапазон частот пока еще достаточно далек от этих предельных значений. Применяемая сегодня полоса пропускания волоконной оптики превосходит аналогичный параметр медного кабеля. Коммуникационные возможности волоконной оптики только начинают развиваться, в то время как возможности медного кабеля достигли своего верхнего предела.

Телефонные компании при модернизации оборудования все чаще используют цифровую связь. Более широкая полоса пропускания оптических систем обеспечивает большее количество звуковых каналов, приходящихся на одну линию и более высокую скорость передачи битов. К достоинствам волоконной оптики относится широкая полоса пропускания, значительно перекрывающая полосу пропускания, необходимую для передачи звуковых сигналов, что обеспечивает передачу телевизионного сигнала или организацию телеконференций, для которых требуется информационная емкость в 100 раз большая, чем для цифрового кодирования звуковых сигналов. Полоса пропускания волоконной оптики допускает мультиплексирование различных сигналов, например звуковых, видео или передачу данных. Волоконно-оптические линии связи начинают применяться в коммерческих и бытовых системах, а не только для передач данных на большие расстояния.

Опто-волоконная линия с возможностью передачи информации со скоростью 10 Гб/сек за время в одну секунду обеспечивает поддержку 130 000 звуковых каналов, 16 телевизионных каналов высокого разрешения (HDTV) или 100 каналов HDTV (канал HDTV использует более широкую частотную полосу, чем обычные телевизионные каналы) при условии использовании методов сжатия информации.

Ширина полосы пропускания связана со скоростью передачи информации, а потери (затухание) определяют расстояние, на которое может передаваться сигнал. Уменьшение амплитуды называется затуханием. По мере того как сигнал перемещается по передающей линии, его амплитуда уменьшается. В медном кабеле затухание увеличивается с ростом частоты модуляции и чем больше частота сигнала, тем больше потери. Потери в коаксиальном кабеле и витой паре увеличиваются с частотой, а в оптическом кабеле затухание не зависит частоты и остается постоянным в широком диапазоне частот (до очень высоких частот). Затухание остается постоянным, и в области очень высоких частот не связано с дополнительным затуханием света в оптоволокне. Потери здесь связаны с потерей информации, а не с потерей оптической мощности (информация кодируется в виде вариации оптической мощности, а при очень высоких частотах потеря информации связана именно с искажением сигнала, приводящим к потере мощности).

Таким образом влияние потерь, возникающих в системе, зависит от частоты сигнала. Система, хорошо работающая на определенной скорости передачи информации, может быть непригодной для работы в другом частотном диапазоне. Необходимость работы системы в различных скоростных режимах усложняет ее устройство (конструкция высокочастотной системы гораздо сложнее, чем низкочастотной системы).

В волоконно-оптических системах потери постоянны на всех скоростях передачи во всем допустимом стандартом частотном диапазоне.

Затухание сигнала в линиях приводит к необходимости установки повторителей в промежуточных точках передающей линии. В медном кабеле расстояние между повторителями уменьшается по мере увеличения рабочей скорости. В оптическом волокне расстояние между повторителями увеличивается по мере роста скорости, поскольку высокие скорости передачи данных требуют использования волокна с меньшим затуханием.

Первая трансатлантическая волоконно-оптическая телефонная линия на основе одной пары волокон, была установленна компанией AT&T еще в 1988 году, одновременно она поддерживала до 37000 одновременных звуковых каналов в обоих направлениях., а расстояние между повторителями достигало 35 км. Трансатлантическая линия на коаксиальном кабеле тогда поддерживала около 4000 каналов и требовала установки повторителей через каждые 10 км.

Теоретически существует возможность создания волоконно-оптической системы, передающей 200 Мб/сек на расстояния от 80 до 100 км без повторителей. Волоконно-оптические системы обеспечивают широкую полосу пропускания с низкими потерями, что приводит к их широкому использованию в телефонной индустрии и телевидении.

Оптоволокно в отличие от медных кабелей не излучает и не воспринимает электромагнитные волны. Медный проводник подобен антенне, которая излучает и принимает электромагнитную энергию. Одна часть электронного устройства может создавать электромагнитные помехи, влияющие на работу других частей устройства.

Высокая концентрация электронных устройств, часто не позволяет нормально работать оборудованию (электронный кассовый аппарат интерферирует с передачей сигнала на частоте 113 МГц, игровые видеоавтоматы мешают работе радиосвязи в диапазоне 42 МГц, персональные компьютеры излучают и мешают приему телевизионных программ на значительном расстоянии, средневолновые радиопередачи влияют на показания датчиков утечки газонасосных станций, радары аэропорта искажают записи в компьютерном банке данных и т. д).

Электромагнитные наводки загрязняют окружающую среду и могут быть даже смертельно опасными. Европейские агентства стандартов предложили рекомендации, лимитирующие уровень электромагнитных наводок, обусловленных работой компьютеров. Кабели, соединяющие оборудование, часто являются одним из главных источников электромагнитных излучений. Они также восприимчивы и к приему внешних сигналов, являющихся помехами от других устройств

Оптические волокна не излучают и не воспринимают электромагнитные волны, они являются идеальной средой. Некоторые производства использует волоконную оптику только по этой причине. Например, при включении и выключении мощных электромоторов возникают сильные электромагнитные наводки, которые отрицательно влияют на работу сигнальных линий технологического оборудования. Использование оптического волокна вместо медного кабеля позволяет избежать данной проблемы.

Медные сигнальные кабели нельзя прокладывать вблизи от высоковольтных линий без специальной защиты, поскольку наводки от высоковольтной линии будут искажать передачу сигнала. Волоконно-оптические линии могут быть проложены совместно с высоковольтными, наводки от высоковольтных линий на них не влияют, световые сигналы не искажаются. Цифровая передача требует передачи сигнала без ошибок, а всплеск электромагнитной наводки может стать причиной ошибок в электронных системах передач данных. Оптические волокна открывают новые возможности для передачи сигналов на большие расстояния без искажений.

Волоконно-оптический кабель той же информационной емкости, что и медный весит значительно меньше медного (одножильный волоконно-оптический кабель весит в 9 раз меньше коаксиального). Вес кабелей связи крайне важен в отраслях самолетостроения, автомобилестроения и др.

Одно оптическое волокно может заменить несколько медных проводников. Емкость волоконно-оптического кабеля существенно превосходит емкость коаксиального, несмотря на то, что его диаметр почти в 10 раз меньше.

Малый размер оптоволоконного кабеля делает его незаменимым для использования в самолетах, подводных лодках, где использование каждого квадратного дюйма является критическим. Применение волоконно-оптического кабеля обусловлено не только экономией места, но также невозможностью применения его медного аналога. Волоконная оптика позволяет эффективно использовать ограниченное пространство.

Толстый медный кабель, занимающий большой объем в городском подземном кабельном канале, может быть с успехом заменен тонким оптическим кабелем, при этом останется место для прокладки новых кабелей в будущем.

Оптоволокно является диэлектриком и не проводит ток. Его использование безопасно с точки зрения искро- и пожаробезопасности. Волокно не притягивает молнии. Волоконно-оптический кабель может также использоваться в опасных местах и средах , в которых из соображений безопасности вообще нельзя применять электрические кабели (например, волокно можно проложить прямо через бензобак автомобиля).

Подсоединение к проводу, перехват радиоволн, излучаемых работающим оборудованием или кабелем — вот варианты перехвата секретной информации. Государство и бизнесмены каждый год затрачивают большие средства на защиту своих секретов и шифрование передаваемых сообщений. Оптическое волокно является сверхбезопасной средой для передачи информации. Оно не излучает волны, которые могут быть получены близкорасположенной антенной. Подсоединиться к оптоволокну крайне тяжело поэтому Правительство и деловые круги рассматривают оптическое волокно как информационную среду, обеспечивающую надежную защиту передаваемой секретной информации.

Оптическое волокно при передаче информации телефонных разговоров или компьютерных данных играет ту же роль, что и медный провод, но по волокну переносится свет, а не электрический сигнал. Средой переносящей информацию является оптическое волокно (тонкая стеклянная или пластиковая нить). В связи с этим появляется множество преимуществ, что позволяет использовать оптическое волокно как несущую среду в различных областях техники — от телефонии до компьютеров и систем автоматизации.

Волоконно-оптическая система представляет собой линию, связывающую две электрические цепи. О сновные элементы волоконно-оптической линии:

— Передатчик состоит из схем устройства управления и источника оптического сигнала (светоизлучающий или лазерный диод), который преобразует электрический сигнал в световой. Управляющее устройство преобразует входной сигнал в вид, необходимой для управления источником.

— Волоконно-оптический кабель состоит из оптоволокна и защитных оболочек и является средой, по которой распространяется световой сигнал.

— Приемник предназначен для приема светового сигнала и его преобразования в электрический сигнал. Приемник состоит из детектора, непосредственно выполняющий функцию преобразования сигналов, и выходного устройства, которое формирует и усиливает электрический сигнал.

— Коннекторы (соединители) используются для подключения волокон к источнику, детектору и для соединения волокон между собой.

В состав более сложных линий и коммуникационных сетей входят и другие элементы, такие как разветвители, мультиплексоры и распределительные устройства, но в любой волоконно-оптической линии обязательно используются передатчик, волокно, приемник и соединители. Постоянное развитие и достижения современной волоконной оптики позволят в будущем существенно расширить область ее применения.

Волоконная оптика

Волоконная оптика— раздел оптоэлектроники, связанный с исследованием явлений, возникающих в волоконных световодах при распространении в них оптического излучения. К волоконной оптике относят также разработку методов создания волоконно-оптических элементов и систем, в которых эти явления используются для направленной передачи световой энергии и информационных сигналов.

В качестве первых волоконно-оптических элементов использовались волоконные световоды, изготовленные из стекла. В таких световодах, вследствие значительного поглощения оптического излучения содержащимися в стекле примесями, коэффициент пропускания в видимой области спектра составлял 30 — 70% на длине ~1 м.

Дальнейшее развитие волоконной оптики связано с созданием в 70-е гг. волоконных световодов на основе кварцевого стекла с оптическими потерями ~ 1 дБ/км (2,303·10 -6 см -1 ) в ближнем ИК диапазоне (при этом коэффициент пропускания составляет около 50% на длине световода в несколько км). Важнейшие области применения таких световодов — системы дальней оптической связи, передачи телеметрической информации, сети ЭВМ, бортовые системы связи, а также датчики различных физических полей (магнитного, гравитационного, температурного и др.).

Волоконный световод в простейшем случае представляет собой гибкую нить (волокно) с сердцевиной из высокопрозрачного диэлектрика, окружённой оболочкой с меньшим показателем преломления, чем у сердцевины. Направленная передача световой энергии в нём происходит вследствие явления полного внутреннего отражения света на границе между сердцевиной и оболочкой. Характер прохождения оптического излучения зависит от поперечных размеров световода и распределения величины показателя преломления по его сечению. Так, число типов оптических колебаний (мод колебаний), которые могут распространяться в волоконном световоде, пропорционально квадрату диаметра его сердцевины и разности между показателями преломления сердцевины и оболочки. Уменьшая произведение этих величин, можно получить световод, в котором возможно распространение только одной моды колебаний (одномодовый световод). К 80-м гг. наибольшее распространение получили многомодовые ступенчатые (ступенчатое изменение показателя преломления по сечению), многомодовые градиентные (плавное изменение показателя преломления по сечению) и одномодовые волоконные световоды. В одномодовых световодах диаметр сердцевины обычно лежит в пределах от 5 до 10 мкм (для ближнего ИК диапазона), в многомодовых — от нескольких десятков до нескольких сотен микрометров. Разность показателей преломления материалов сердцевины и оболочки, как правило, составляет десятые доли процента для одномодовых и 1-2% — для многомодовых световодов. Полный диаметр волоконных световодов составляет 0,1 – 1 мм.

Распространение света по волоконному световоду сопровождается различными оптическими явлениями. К важнейшим из них относятся затухание оптического сигнала, уширение коротких импульсов света, различные нелинейные процессы. Затухание оптического сигнала связано, прежде всего, с поглощением в УФ области спектра (обусловленным электронными переходами), решёточным поглощением в ИК области (возбуждения колебательных степеней свободы) и рэлеевским рассеянием (рассеянием на «замороженных» флуктуациях плотности и неоднородностях состава стекла). Наилучшими характеристиками (по величине оптических потерь, дисперсии, механической прочности, радиационной стойкости и др.) обладают волоконные световоды, выполненные на основе кварцевого стекла, которое для повышения показателя преломления обычно легируется германием и фосфором, а для понижения — бором и фтором. В таких световодах величина оптических потерь составляет 2 — 3 дБ/км в спектральной области 0,8 — 0,9 мкм и менее 1 дБ/км — в области 1 — 1,5 мкм. Достигнутый минимум оптических потерь равен 0,154 дБ/км на длине волны 1,55 мкм и близок к теоретическому пределу.

При распространении по волоконному световоду оптические импульсы уширяются, что приводит к их взаимному перекрытию, ограничивающему информационную полосу пропускания световода. Уширение оптических импульсов обусловлено межмодовой дисперсией (связанной с различием групповых скоростей разных мод), материальной дисперсией (вызванной зависимостью показателя преломления материала световода от длины волны оптического излучения) и волноводной дисперсией (связанной с зависимостью групповой скорости моды от длины волны). В ступенчатых многомодовых световодах межмодовая дисперсия обычно ограничивает полосу пропускания до нескольких десятков МГц·км. В градиентных световодах выбор оптимального профиля показателя преломления позволяет получить полосу пропускания 700-1000 МГц·км и более. В одномодовых световодах полоса пропускания определяется в основном материальной дисперсией и достигает 100 ГГц·км.

Малый диаметр сердцевины и низкие оптические потери волоконных световодов позволяют поддерживать высокую интенсивность оптического излучения (~10 10 Вт/см 2 ) на длине световода более 1 км. При этом в волоконном световоде проявляются различные нелинейные эффекты (вынужденное рассеяние света, четырёхфотонные параметрические процессы и др.). Так, вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) наблюдается в световоде при мощности накачки порядка сотен милливатт. На основе ВКР созданы перестраиваемые волоконные рамановские генераторы когерентного излучения в ближней ИК области (с перестройкой частоты ~300 см -1 ). Вынужденное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна проявляется при мощности накачки 10—20 мВт; с помощью этого эффекта осуществляется обращение волнового фронта, которое широко используется для повышения пространственной когерентности излучения. К нелинейным явлениям относится также самомодуляция световых импульсов, которая в области аномальной дисперсии материала световода позволяет получать сверхкороткие импульсы света (длительностью ~10 -15 с). Такие импульсы используются для исследования сверхбыстрых (субпикосекундных) процессов в веществе. Возможна также реализация солитонного режима прохождения светового импульса, когда при распространении по волоконному световоду импульс либо не изменяет своей формы, либо изменяет её периодически. Реализация такого режима позволит существенно повысить ширину полосы пропускания волоконно-оптической системы.

Технология изготовления волоконных световодов из кварцевого стекла основана на химическом осаждении материала световода из газовой фазы. В качестве исходного вещества применяются чистые летучие галиды (хлориды германия, кремния и др.), а также активные (кислород и водород) и инертные (аргон, гелий и др.) газы. Метод изготовления заключается в термическом или плазменном окислении хлоридов с последующим осаждением твёрдой фазы либо на внутренней поверхности кварцевой трубки (метод химического осаждения внутри трубки), либо на внешней боковой (метод внешнего осаждения) или торцевой (метод аксиального осаждения) поверхности так называемого затравочного кварцевого стержня. После проплавления опорной трубки с нанесёнными (осаждёнными) слоями или пористой заготовки, состоящей из спечённой массы сажеподобных частичек кварцевого стекла, получают сплошной стеклянный стержень (заготовку), имеющий волноводную структуру — сердцевину, окружённую оболочкой с меньшим показателем преломления. Из такого стержня, полученного осаждением внутри трубки, имеющего диаметр 10 — 20 мм и длину 1 м, вытягивают (при нагревании) волоконный световод длиной ~10 км, с внешним диаметром обычно 125 мкм и диаметром сердцевины 50 мкм. Методом аксиального осаждения получают заготовки, из которых вытягивают волоконные световоды длиной ~100 км с диаметром 125 мкм.

С середины 80-х гг. получили распространение кварцполимерные волоконные световоды, в которых сердцевина выполняется из чистого кварцевого стекла, а оболочка — из силиконовой резины (прозрачного кремнийорганического полимера). Оптические потери в таких световодах больше (по сравнению со стеклянными) и составляют несколько дБ/км, что обусловлено значительными потерями в оболочке. Созданы также полимерные волоконные световоды. Например, в световодах на основе полиметилметакрилата и полистирина оптические потери в видимой области спектра составляют несколько десятков дБ/км. Такие световоды предназначены для использования в оптических линиях связи, рассчитанных на небольшие расстояния, что обусловлено их высокой гибкостью, возможностью быстрого и надёжного соединения друг с другом и с источниками оптического излучения, а также малой массой и низкой стоимостью. В начале 90-х гг. разрабатываются волоконные световоды среднего ИК диапазона (длина волны 2-15 мкм), предназначенные для передачи информации, а также мощного лазерного излучения. Для создания таких световодов используются халькогенидные стёкла (например, As₂Se₃), флюоридные стёкла (например, фториды циркония, бария, лантана и алюминия с добавками щелочных металлов), галогениды таллия и серебра. В таких световодах величина оптических потерь предполагается на 1-2 порядка ниже, чем в волоконных световодах на основе кварцевого стекла. Однако теоретический предел пока не достигнут. Так, оптические потери в световодах на основе флюоридных стёкол составляют ~1 дБ/км (на длине волны 2,55 мкм), халькогенидных стёкол — 60 дБ/км (на длине волны 5,5 мкм) и в поликристаллических световодах из кристаллов КРС-5 (TIBrI) — 400 дБ/ км (на длине волны 10,6 мкм). Поликристаллические световоды широко используются для передачи мощного (до 15 Вт) оптического излучения СО и СО₂лазеров на расстояние ~1 м.

95. Волоконная оптика и ее использование в оптических устройствах

Волоконная оптика основана на явлении полного внутреннего от­ражения. Свет, попадая внутрь прозрачного волокна, окруженного веществом с меньшим показателем преломления, многократно отра­жается и распространяется вдоль этого волокна (рис. 21.29). Так как при полном отражении коэффициент отражения сравнительно высок (порядка 0,9999), то потери энергии в основном обусловлены погло­щением света веществом внутри волокна. Так, например, в видимой области спектра в волокне длиной 1 м теряется 30—70% энергии.

Для передачи больших световых потоков и сохранения гибкос­ти светопроводящей системы отдельные волокна собираются в пучки (жгуты) — световоды. В медицине световоды используют для решения двух задач: пере­дачи световой энергии, главным образом для освещения холодным светом внутренних полостей, и передачи изображения. Для первого случая не имеет значения положение отдель­ных волокон в световоде, для второго сущест­венно, чтобы расположение волокон на входе и выходе световода было одинаковым.

Эндоскоп — спе­циальный прибор для осмотра внутренних по­лостей (желудок, прямая кишка и др.). Он состоит из двух основных частей: источника света и смотровой части. С использованием волоконной оптики удалось, во-первых, свет от лампочки передавать внутрь органа по световоду, тем самым из­бегая нежелательного нагревания этого органа, которое неизбежно возникало при помещении источника света внутри полости в эндо­скопах прежней конструкции; во-вторых, что самое главное, гиб­кость волоконно-оптических систем допускает осмотр большей час­ти полостей, чем с помощью жестких эндоскопов.

С помощью волоконного гастроскопа можно не только визуально осмотреть желудок, но и произвести необходимые снимки с целью диагностики. Именно эти потребнос­ти медицины стимулировали развитие волоконной оптики вообще. С помощью световодов осуществляется передача лазерного излу­чения во внутренние органы с целью лечебного воздействия на опу­холи.

95. Волоконная оптика и ее использование в оптических устройствах

Волоконная оптика основана на явлении полного внутреннего от­ражения. Свет, попадая внутрь прозрачного волокна, окруженного веществом с меньшим показателем преломления, многократно отра­жается и распространяется вдоль этого волокна (рис. 21.29). Так как при полном отражении коэффициент отражения сравнительно высок (порядка 0,9999), то потери энергии в основном обусловлены погло­щением света веществом внутри волокна. Так, например, в видимой области спектра в волокне длиной 1 м теряется 30—70% энергии.

Для передачи больших световых потоков и сохранения гибкос­ти светопроводящей системы отдельные волокна собираются в пучки (жгуты) — световоды. В медицине световоды используют для решения двух задач: пере­дачи световой энергии, главным образом для освещения холодным светом внутренних полостей, и передачи изображения. Для первого случая не имеет значения положение отдель­ных волокон в световоде, для второго сущест­венно, чтобы расположение волокон на входе и выходе световода было одинаковым.

Эндоскоп — спе­циальный прибор для осмотра внутренних по­лостей (желудок, прямая кишка и др.). Он состоит из двух основных частей: источника света и смотровой части. С использованием волоконной оптики удалось, во-первых, свет от лампочки передавать внутрь органа по световоду, тем самым из­бегая нежелательного нагревания этого органа, которое неизбежно возникало при помещении источника света внутри полости в эндо­скопах прежней конструкции; во-вторых, что самое главное, гиб­кость волоконно-оптических систем допускает осмотр большей час­ти полостей, чем с помощью жестких эндоскопов.

С помощью волоконного гастроскопа можно не только визуально осмотреть желудок, но и произвести необходимые снимки с целью диагностики. Именно эти потребнос­ти медицины стимулировали развитие волоконной оптики вообще. С помощью световодов осуществляется передача лазерного излу­чения во внутренние органы с целью лечебного воздействия на опу­холи.