Оптические волокна, одномодовые и многомодовые волокна.
Оптические волокна являются проводником электромагнитного излучения световых волн (мод), отражающихся при движении от их стенок и сердцевины (стержня).
Этапы совершенствования оптических волокон
Структура и конструкция оптических волокон
Одномодовые волокна. Многомодовые волокна
Особенности материала и правила эксплуатации
Достоинства и преимущества оптических волокон
Оптические волокна:
Развитие современных технологий и изучение свойств световых волн позволили создать качественно новую среду, транспортирующую оптическое излучение. Проводниками для нее стали волноводы, имеющие круглое поперечное сечение с необычно малым диаметром, равным лишь нескольким нм (почти как у человеческого волоса). Эти прозрачные тонкие нити назвали оптическими волокнами, и именно по ним передается теперь большинство информации в современных коммуникационных сетях.
В отличие от стекловолокна, оптические волокна являются проводником электромагнитного излучения световых волн (мод), отражающихся при движении от их стенок и сердцевины (стержня). Благодаря огромной пропускной способности и скорости перемещения данных, с каждым годом изделия находят все более широкое применение во многих отраслях народного хозяйства. Их используют для совершенствования линий связи, увеличения вычислительных мощностей, решения задач в энергетической и медицинской отрасли, в военных разработках.
Волоконно-оптическими линиями связи (ВОЛС) заменяют традиционную «витую пару» в наиболее ответственных телекоммуникационных сетях различного уровня сложности. Распространение света в них происходит за счет множественных волновых переотражений от внутренней поверхности оболочки. За счет небольшой разницы в показателях преломления (около 1%) волны, отражаемые сердцевиной под различными углами, не выходят за пределы границ волокна, а движутся в нем, позволяя переносить информацию с огромной скоростью. Согласно полученным результатам от проведенных японскими специалистами исследований, она может достигать 255 Тбит/с даже при расстояниях более 1000 км.
Этапы совершенствования оптических волокон:
Движение волн в оптическом волокне изучалось еще в конце XIX века, но необходимые технологии тогда еще отсутствовали. Первая оптическая телефонная система для передачи речевых сигналов была запатентована в Америке в начале 1934 года, но волны затухали в ней уже через несколько метров от входа в волокна. Изменить ситуацию смогли только в 1970 г., когда отыскали материалы, обеспечивающие достаточно низкое затухание (около 17 дБ/км), а за два последующих года работы его приблизили уже к 4 дБ/км. Сначала в производстве использовалось лишь кварцевое стекло, но далее его начали дополнять фторцирконатными, фторалюминатными и халькогенидными материалами, показатель преломления в которых приближен к 1,5.
Сейчас идет доработка и оптимизация пластиковых оптических волокон с полиметилметакрилатным сердечником и фторполимеровой оболочкой. Ожидаемое затухание в них еще на порядок ниже существующих. Также, для улучшения технических показателей, начали борьбу с некруглостью и неконцентричностью волокон, их возможными изгибами и растяжениями, занялись подбором оптимальной структуры профиля. У различных производителей уже существуют многочисленные модификации оптоволокна, поэтому для правильного выбора важно знать его внутреннее строение и классификацию.
Структура и конструкция оптических волокон:
Несмотря на большое разнообразие существующих технологий, позволяющих создавать оптические волокна, в производстве изделий можно выделить три основных стадии. На первой создается заготовка в виде стержня, имеющего необходимый профиль и показатель преломления. На второй она вытягивается и приобретает защитную оболочку. На третьей (при необходимости) на полученное волокно наносится упрочняющее и защитное покрытие (буфер). Для получения целевых показателей преломления в оптоволокно при изготовлении могут добавляться различные присадки: титан, фосфор, германий, бор и т.д.
Учитывая геометрические размеры внутреннего стержня и оболочки, а также расстояние между ними, полученный оптический проводник может быть одномодовым (транспортировать только одну, основную моду) и многомодовым (перемещать также многочисленные пространственные моды). Также оптические волокна, применяемые для телекоммуникаций, разделяют на следующие категории:
- – кварцевые одномодовые;
- – кварцевые многомодовые;
- – пластиковые и полимерные (POF);
- – кварцевые в оболочке из полимеров (HCS).
В одномодовых нитях малые потери на изгибах, многомодовые оптимальны для больших расстояний, полимерные более функциональны, кварцевые – существенно дешевле. Когда профиль волокна характеризуется одинаковым преломлением по всему поперечному сечению центрального стержня, он ступенчатый. Когда преломление постепенно уменьшается от центра сердцевины к оболочке – профиль становится градиентным. Преломление в градиентном волокне может иметь параболическую, треугольную и ломаную структуру. Существуют и другие разновидности волокон, встречающиеся реже.
В процессе движения световые волны в оптических нитях затухают и рассеиваются. Данное излучение занимает электромагнитный спектр в диапазоне 100 нм – 1 мм, но в реальности информация передается чаще в ближнем инфракрасном (760-1600 нм) и видимом (380-760 нм) диапазоне. Области, где затухание самое низкое – окна прозрачности. В ближнем ИК их три: 850, 1310 и 1550 нм. Они могут незначительно отличаться для каждого вида волокна, но именно в них оптимально транслировать информационные сигналы.
В инженерных сетях источниками излучения служат оптические квантовые лазеры, на малых расстояниях – светодиоды. Их узконаправленными монохроматическими лучами с когерентным излучением создаются широкие непрерывные частотные спектры на электромагнитной основе. В качестве приемников, преобразующих оптический сигнал в электрический, используют p-i-n и лавинные фотодиоды. Параметры оптического волокна строго сертифицированы: сердцевина одномодового имеет диаметр 9±1 мкм, многомодового – 50, 62.5, 120, 980 мкм, оболочка – 125±1 и 490, 1000 мкм соответственно.
Одномодовые волокна:
Одномодовые волокна обеспечивают более устойчивые уровни сигналов и большую скорость передачи данных, но им нужны более мощные и дорогие источники излучения, чем для многомодовым аналогам. Также в них очень узкий светопроводящий канал, что существенно увеличивает трудоемкость монтажа, но и исключает межмодовую дисперсию. У одномодовых нитей выделяют три подкатегории:
– ступенчатые, имеющие несмещенную дисперсию (SM, SMF) – самые распространенные;
– стандартные, имеющие смещенную дисперсию (DS, DSF) в сторону третьего окна прозрачности с минимальным затуханием, стремящимся к нулю;
– стандартные, имеющие ненулевую смещенную дисперсию (NZ, NZDS, NZDSF) – оптимизированные передавать несколько длин волн.
Многомодовое волокно:
Многомодовое волокно отличается высочайшей производительностью передачи данных на коротких расстояниях, большими скоростями и широкой полосой пропускания. Оно, в отличие от одномодового, где практически достигнут технологический предел, продолжает постоянно совершенствоваться. Его сердцевина имеет увеличенный диаметр, что обеспечивает дополнительную рефракцию, снижающую дисперсионные искажения, возникающие при распространении нескольких мод с различными отраженными углами. В итоге световые импульсы в таких нитях под влиянием вышеописанных факторов превращаются из прямоугольных в колоколоподобные.
Особенности материала и правила эксплуатации:
Пропускная способность оптических волокон зависит от затухания (потерь) и дисперсии. Любое уменьшение этих показателей позволяет увеличивать расстояние между точками вынужденной регенерации сигнала. Потери могут вызываться как собственными внутренними, так и внешними факторами. К первым относятся неоднородности центрального стержня (сердцевины) самих изделий, отличающиеся своим преломлением, собственное поглощение материалов и входящих в них примесей. Вторые возникают при скрутке, деформации и изгибе нитей.
Поэтому техусловия строго регламентируют правила применения, группировки и эксплуатации волокон. Чрезмерные внешние механические воздействия могут привести к появлению микротрещин и нарушению целостности оболочки, а это вызовет неравномерность внутренних отражений в нити. Также важно отслеживать однородность материала в процессе изготовления нити и равномерность распределения в ней примесей, способных резонировать на различных частотах.
Работы с оптическими волокнами предъявляют повышенные требования к обслуживающему персоналу. В первую очередь это чистота коннекторов и качество выполнения необходимых соединений. Вопреки бытующим заблуждениям, большой проблемой для оптических нитей часто становится водородная коррозия. Попадание в оптические муфты воды приводит к отсроченным во времени, но уже необратимым последствиям, в результате которых нить теряет свои свойства и становится полностью испорченной. Плохо выполненные соединения волокон могут пропускать влагу и одновременно становятся участками, способствующими дополнительному затуханию и потерям передаваемого сигнала.
Достоинства и преимущества оптических волокон:
Сегодня все проекты с использованием оптоволокна получают интенсивное развитие. Прежде всего, это ВОЛС (ВОЛП), вычислительные сети, видеонаблюдение и контроль доступа, где «оптика» стала доминировать по всем позициям. В них практически исключено несанкционированное вмешательство, линии не горят, не окисляются, не разрушаются, обеспечивают большую скорость и пропускную способность при передаче данных. Они не боятся помех и электромагнитных полей, не подвержены коротким замыканиям, не излучают ничего в окружающую среду.
Применение оптических волокон:
Оптические волокна применяют в качестве датчиков, измеряющих напряжение, температуру, давление и другие параметры. Они компактны и не требуют дополнительной подпитки, переносят высокие температуры (в сравнении с полупроводниковыми прототипами). Их устанавливают на устройства, выполняющие дуговую защиту. Также на их основе создаются гидрофоны, сейсмические и гидролокационные приборы, лазерные гироскопы для автомобилей и космических аппаратов.
Благодаря оптическим волокнам работают интерферометрические датчики, контролирующие магнитное и электрическое поле, лабораторные эндоскопы. Также с их помощью организуют освещение в труднодоступных зонах, направляя солнечный и искусственный свет в необходимое место. Наконец, волокна помогают формировать изображение в различных областях спектра. На этом принципе разработано современное оружие, помогающее создавать цели-обманки даже размером с авианосец и дезориентировать радиолокационное наблюдение.
Примечание: © Фото //www.pexels.com, //pixabay.com