Для чего используются световоды: СВЕТОВОД — это… Что такое СВЕТОВОД?

Разное

Содержание

СВЕТОВОД — это… Что такое СВЕТОВОД?

(волновод оптический) — закрытое устройство для направленнойпередачи света. В открытом пространстве передача света возможна тольков пределах прямой видимости и ограничивается нач. расходимостью излучения, Разработаны разнообразные типы С., среди них — линзовые (зеркальные)С., представляющие собой систему заключённых в трубу и расположенных наопределённых расстояниях линз (зеркал), полые металлич. трубы и др., однакоони не нашли широкого применения.

Наиб. перспективный и широко применяемый в настоящее время (1990-е гг.)тип С.- гибкий диэлектрич. волоконный С. с низкими оптич. потерями (см. Волоконная оптика), позволяющий передавать свет на большие расстояния. 1 имеет показательпреломления n1, а оболочка с радиусом а 2 имеетпоказатель преломления п 2 <п 1 (рис. 1).В приближении геом. оптики лучи, входящие в сердцевину под достаточно малымиуглами к оси С., испытывают полное внутреннее отражение на поверхностираздела сердцевины и оболочки и распространяются только по сердцевине.

Рис. 1. Поперечное сечение волоконного световода.

В зависимости от назначения С. диаметр сердцевины 2a1 составляет от неск. мкм до неск. сотен мкм, а 2а 2 — от неск. Величины 2a1 и п 1 — п 2 определяютчисло типов волн (мод), к-рые могут распространяться по С. при заданнойдлине волны света .Выбирая 1 и n1 — n2 достаточномалыми, можно добиться, чтобы С. работал в одномодовом режиме.

Волоконные С. находят широкое применение в системах оптической связи, в датчиках разл. физ. полей, в вычислит. технике, для канализации мощноголазерного излучения для медицинских и технол. целей и т. Характеристики волоконных световодов. Важнейшими характеристиками С.,предназначенных для подобных применений, являются оптич. потери, дисперсиягрупповой скорости, оптич. нелинейность и механич. прочность. В 70-х гг.20 в. созданы волоконные С. на основе кварцевого стекла с затуханием сигнала~1 дБ/км в ближней ИК-области спектра. Типичный спектр оптических потерь в таких С. представлен на рис. 2, а. Минимально возможные потерисоставляют 0,16 дБ/км на волне 1,55 мкм. Материалом для таких С. служит кварцевоестекло; различия показателей преломления сердцевины и оболочки достигаютлегированием стекла (напр., фтором, германием, фосфором).

Др. важной характеристикой одномодовых волоконных С., широко применяемыхв системах оптич. связи, является дисперсия групповой скорости. На рис.2, б представлен спектр дисперсии С. на основе кварцевого стекла. мкм. Это означает, что именно в этой спектральной области информац. полосапропускания одномодовых волоконных С. на основе кварцевого стекла максимальнаи составляет 1011 Гц*км.

Рис. 2. Спектр оптических потерь (а) и дисперсии групповой скорости (произвольные единицы, б).

Изменением профиля показателя преломления волоконного С. можно сместитьнуль дисперсии в область вблизи 1,55 мкм, где расположен абс. минимум оптич. Хотя стеклянные волоконные С. первоначально разрабатывались в качествелинейной передающей среды для систем оптич. связи, оказалось, что они являютсяперспективным нелинейным материалом. Оптическая нелинейность в стеклянныхволоконных С. возникает в результате зависимости показателя преломления п от интенсивности лазерного излучения , где n0 — линейная часть показателя преломления припроизвольно низких значениях интенсивности, не зависящая от интенсивности; п’I — нелинейная добавка, п’ — коэф., величина к-рого длякварцевого стекла равна 3,2*10-16 см 2/Вт. Малая величина п’ для кварцевого стекла показывает, что оно не является хорошимнелинейным материалом. Однако, когда стекло используется в виде волоконногоС., нелинейность может иметь большой эффект, что связано с малым сечениемсердцевины одномодового волоконного С. ~ 10-6 см 2.Это означает, что при введении в С. лазерного излучения мощностью 1 Втинтенсивность I~ 1 МВт/см 2. Такая высокая интенсивностьсохраняется на больших длинах С. вследствие его низких оптич. потерь, обеспечиваядлину взаимодействия высокоинтенсивного излучения с веществом вплоть донеск. км. В результате в стеклянных волоконных С. эффективно протекаютразнообразные нелинейные процессы при пороговых мощностях 1-10 мВт.

Наиб. интересным нелинейным эффектом, имеющим большое практич. значение, мкм, рис. 2, б).

В идеальном С. без потерь оптический солитон распространяетсябез изменения своей формы. Поэтому солитоны перспективны как носители информациив широкополосных и протяжённых волоконно-оптич. системах связи. Разработанылаб. солитонные системы связи, к-рые, как полагают, могут использоватьсяв коммерч. сетях связи в нач. 21 в.

При практич. использовании волоконных С. важной их характеристикой являетсямеханическая прочность. Теоретич. прочность на разрыв нитей из кварцевогостекла составляет 20-25 ГПа, макс. прочность С. на основе кварцевого стекла, б )покрытиями.

Рис. 3. Функции распределения прочности волоконных световодов наоснове кварцевого стекла с полимерными (а) и герметичными металлическими(б) покрытиями.

Изготовление и применение световодов. Волоконные С. на основекварцевого стекла с низкими оптич. потерями изготовляют методом хим. осажденияиз газовой фазы. В качестве исходных соединений используются кислород ихлориды кремния, германия, фосфора и др. Получаемая этим методом заготовкадиам. 20-30 мм и длиной 400-1000 мм перетягивается в волоконный С. диам.100 мкм с одновременным нанесением на него защитно-упрочняющей оболочки.

Кроме кварцевого стекла для волоконных С. используют также др. прозрачныев видимой и ИК-областях спектра материалы — многокомпонентные кислородныестёкла, бескислородные стёкла, полимеры и кристаллы. Однако волоконныеС. на основе кварцевого стекла обладают наинизшими оптич. потерями и наивысшеймеханич. прочностью, поэтому они нашли самое широкое применение.

В 1990 в мире произведено св. 5 млн. км волоконных С. для волоконно-оптич. В 80-90-х гг. разработаны волоконные С., легированные эрбием, перспективныев качестве активной среды в волоконных усилителях, накачиваемых излучениемполупроводниковых лазеров. Эрбиевые волоконные усилители работают в спектральнойобласти вблизи 1,55 мкм, совпадающей с областью мин. оптич. потерь совр. Для интегральной оптики разработаны диэлектрич. волноводы — С.,представляющие собой тонкую (порядка )плёнку, нанесённую на подложку. Условие волноводного режима распространенияизлучения заключается в том, что показатель преломления плёнки больше показателейпреломления подложки и среды над волноводом. Диэлектрич. С. этого типаизготавливают методом катодного распыления материала волновода на подложку, ионной имплантации.

Лит.: Мидвинтер Дж., Волоконные световоды для передачи информации, оптика, пер. с англ.,М., 1985; Д и а н о в Е. М., Волоконная оптика: проблемы и перспективы,«Вестник АН СССР», 1989, № 10, с. 41; Девятых Г. Г.,. Д и а н о в Е. М.,Волоконно-оптическая связь: 20 лет спустя, там же, 1990, № 6, с. 143; ДиановЕ. №10, с. 42. Е. М. Дианов.


Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия.
Главный редактор А. М. Прохоров.
1988.

Световод — Физическая энциклопедия

СВЕТОВОД (волновод оптический) — закрытое устройство для направленной
передачи света. В открытом пространстве передача света возможна только
в пределах прямой видимости и ограничивается нач. расходимостью излучения,
поглощением и рассеянием в атмосфере. Переход к С. позволяет значительно
уменьшить потери световой энергии при её передаче на большие расстояния,
а также передавать световую энергию по криволинейным трассам.

Разработаны разнообразные типы С., среди них — линзовые (зеркальные)
С., представляющие собой систему заключённых в трубу и расположенных на
определённых расстояниях линз (зеркал), полые металлич. трубы и др., однако
они не нашли широкого применения.

Наиб. перспективный и широко применяемый в настоящее время (1990-е гг.)
тип С.- гибкий диэлектрич. волоконный С. с низкими оптич. потерями (см.
Волоконная оптика ),позволяющий передавать свет на большие расстояния.
В простейшем варианте он представляет собой тонкую нить из оптически прозрачного
материала, сердцевина к-рой радиуса a1 имеет показатель
преломления n1, а оболочка с радиусом а2 имеет
показатель преломления п2 <п1 (рис. 1).
В приближении геом. оптики лучи, входящие в сердцевину под достаточно малыми
углами к оси С., испытывают полное внутреннее отражение на поверхности
раздела сердцевины и оболочки и распространяются только по сердцевине.

Рис. 1. Поперечное сечение волоконного световода.

В зависимости от назначения С. диаметр сердцевины 2a1
составляет от неск. мкм до неск. сотен мкм, а 2а2 — от неск.
десятков до примерно тысячи мкм.

Величины 2a1 и п1 — п2 определяют
число типов волн (мод), к-рые могут распространяться по С. при заданной
длине волны света.
Выбирая 1 и n1 — n2 достаточно
малыми, можно добиться, чтобы С. работал в одномодовом режиме.

Волоконные С. находят широкое применение в системах оптической связи, в датчиках разл. физ. полей, в вычислит. технике, для канализации мощного
лазерного излучения для медицинских и технол. целей и т.д.

Характеристики волоконных световодов. Важнейшими характеристиками С.,
предназначенных для подобных применений, являются оптич. потери, дисперсия
групповой скорости, оптич. нелинейность и механич. прочность. В 70-х гг.
20 в. созданы волоконные С. на основе кварцевого стекла с затуханием сигнала
~1 дБ/км в ближней ИК-области спектра. Типичный спектр оптических потерь
в таких С. представлен на рис. 2, а. Минимально возможные потери
составляют
0,16 дБ/км на волне 1,55 мкм. Материалом для таких С. служит кварцевое
стекло; различия показателей преломления сердцевины и оболочки достигают
легированием стекла (напр., фтором, германием, фосфором).

Др. важной характеристикой одномодовых волоконных С., широко применяемых
в системах оптич. связи, является дисперсия групповой скорости. На рис.
2, б представлен спектр дисперсии С. на основе кварцевого стекла.
Видно, что кривая дисперсии проходит через 0 вблизи
мкм. Это означает, что именно в этой спектральной области информац. полоса
пропускания одномодовых волоконных С. на основе кварцевого стекла максимальна
и составляет
1011 Гц*км.

Рис. 2. Спектр оптических потерь (а) и дисперсии групповой скорости
(произвольные единицы, б)
.

Изменением профиля показателя преломления волоконного С. можно сместить
нуль дисперсии в область вблизи 1,55 мкм, где расположен абс. минимум оптич.
потерь. Такие волоконные С. (со смещённой дисперсией) разработаны и находят
большое применение в широкополосных системах дальней оптич. связи. Разработаны
волоконные С. более сложной конструкции, напр. многослойные С., в т. ч.
с сильным двулучепреломлением. Одномодовые С. последнего типа перспективны
для применений, где необходимо сохранить поляризацию распространяющегося
света.

Хотя стеклянные волоконные С. первоначально разрабатывались в качестве
линейной передающей среды для систем оптич. связи, оказалось, что они являются
перспективным нелинейным материалом. Оптическая нелинейность в стеклянных
волоконных С. возникает в результате зависимости показателя преломления
п от интенсивности лазерного излучения
, где n0 — линейная часть показателя преломления при
произвольно низких значениях интенсивности, не зависящая от интенсивности;
п’I — нелинейная добавка, п’ — коэф., величина к-рого для
кварцевого стекла равна 3,2*10-16 см2/Вт. Малая величина
п’ для кварцевого стекла показывает, что оно не является хорошим
нелинейным материалом. Однако, когда стекло используется в виде волоконного
С., нелинейность может иметь большой эффект, что связано с малым сечением
сердцевины одномодового волоконного С. ~ 10-6 см2.
Это означает, что при введении в С. лазерного излучения мощностью 1 Вт
интенсивность I ~ 1 МВт/см2. Такая высокая интенсивность
сохраняется на больших длинах С. вследствие его низких оптич. потерь, обеспечивая
длину взаимодействия высокоинтенсивного излучения с веществом вплоть до
неск. км. В результате в стеклянных волоконных С. эффективно протекают
разнообразные нелинейные процессы при пороговых мощностях 1-10 мВт.

Наиб. интересным нелинейным эффектом, имеющим большое практич. значение,
является солитонный режим распространения оптич. импульсов в волоконных
С. в спектральной области отрицательной дисперсии групповой скорости (
мкм, рис. 2, б).

В идеальном С. без потерь оптический солитон распространяется
без изменения своей формы. Поэтому солитоны перспективны как носители информации
в широкополосных и протяжённых волоконно-оптич. системах связи. Разработаны
лаб. солитонные системы связи, к-рые, как полагают, могут использоваться
в коммерч. сетях связи в нач. 21 в.

При практич. использовании волоконных С. важной их характеристикой является
механическая прочность. Теоретич. прочность на разрыв нитей из кварцевого
стекла составляет 20-25 ГПа, макс. прочность С. на основе кварцевого стекла,
защищённых полимерной плёнкой, равна 5-6 ГПа. Прочность высококачеств.
волоконных С. зависит от поверхностных дефектов стекла (трещин, раковин
и т. д.), к-рые в присутствии влаги под действием приложенных к С. напряжений
увеличиваются, достигая уровня, при к-ром происходит разрушение С. Один
из эффективных способов повышения прочности С.- нанесение на С. герметичных
покрытий в процессе их изготовления. Нанесение металлич. герметичных покрытий
позволило получить лаб. образцы С. с прочностью до 12-15 ГПа. На рис. 3
приведены ф-ции распределения прочности волоконных С. с полимерными (а)
и металлическими (б)покрытиями.

Рис. 3. Функции распределения прочности волоконных световодов на
основе кварцевого стекла с полимерными (а) и герметичными металлическими
(б) покрытиями
.

Изготовление и применение световодов. Волоконные С. на основе
кварцевого стекла с низкими оптич. потерями изготовляют методом хим. осаждения
из газовой фазы. В качестве исходных соединений используются кислород и
хлориды кремния, германия, фосфора и др. Получаемая этим методом заготовка
диам. 20-30 мм и длиной 400-1000 мм перетягивается в волоконный С. диам.
100 мкм с одновременным нанесением на него защитно-упрочняющей оболочки.

Кроме кварцевого стекла для волоконных С. используют также др. прозрачные
в видимой и ИК-областях спектра материалы — многокомпонентные кислородные
стёкла, бескислородные стёкла, полимеры и кристаллы. Однако волоконные
С. на основе кварцевого стекла обладают наинизшими оптич. потерями и наивысшей
механич. прочностью, поэтому они нашли самое широкое применение.

В 1990 в мире произведено св. 5 млн. км волоконных С. для волоконно-оптич.
систем связи. В 1988 проложена первая цифровая подводная волоконно-оптич.
система связи между Америкой и Европой, а в 1989 — транстихоокеанская волоконно-оптич.
система Америка — Гавайские острова — Япония. В кон. 20 в. б. ч. телефонных
разговоров на Земле производится по волоконным С.

В 80-90-х гг. разработаны волоконные С., легированные эрбием, перспективные
в качестве активной среды в волоконных усилителях, накачиваемых излучением
полупроводниковых лазеров. Эрбиевые волоконные усилители работают в спектральной
области вблизи 1,55 мкм, совпадающей с областью мин. оптич. потерь совр.
С., и являются альтернативой электронным ретрансляторам в широкополосных
волоконно-оптич. системах дальней связи.

Для интегральной оптики разработаны диэлектрич. волноводы — С.,
представляющие собой тонкую (порядка)
плёнку, нанесённую на подложку. Условие волноводного режима распространения
излучения заключается в том, что показатель преломления плёнки больше показателей
преломления подложки и среды над волноводом. Диэлектрич. С. этого типа
изготавливают методом катодного распыления материала волновода на подложку,
методом эпитаксиального наращивания из жидкой или газообразной фазы, методом
ионной имплантации.

Лит.: Мидвинтер Дж., Волоконные световоды для передачи информации,
пер. с англ., М., 1983; Хансперджер Р., Интегральная оптика, пер. с англ.,
М., 1985; Д и а н о в Е. М., Волоконная оптика: проблемы и перспективы,
«Вестник АН СССР», 1989, № 10, с. 41; Девятых Г. Г.,. Д и а н о в Е. М.,
Волоконно-оптическая связь: 20 лет спустя, там же, 1990, № 6, с. 143; Дианов
Е.М., Прохоров А. М.„ Оптическая связь на основе нелинейных явлений в волоконных
световодах, там же, 1990, 10, с. 42. Е. М. Дианов.

   
  Предметный указатель 
    >>   

Световоды: какие бывают, как обслуживать?

Хирургия минимального инвазивного доступа напрямую зависит от искусственного света, доступного в закрытой полости тела. До изобретения световодных кабелей (световодов) использовались зеркала для отражения света в необходимую область, куда прямой доступ света был невозможен.

В 1954 году в развитии волоконно-оптических кабелей произошел крупный технологический прорыв. Принцип работы волоконно-оптического кабеля основывался на полном внутреннем отражении света. Свет попадает на один конец волокна и передаётся на другой конец после многочисленных внутренних отражений практически не теряя свою интенсивность. Это свойство используется в телефонных и телевизионных оптоволоконных кабелях для передачи сигналов. Свет как носитель информации намного эффективнее электронов в электрическом токе. Кроме того, поскольку световые лучи не взаимодействуют друг с другом (тогда как электроны взаимодействуют через их электрический заряд), можно уместить большое количество различных световых сигналов в один и тот же кабель оптоволоконного кабеля без искажений.

В настоящее время доступны два типа световодов:

1. Волоконный световод (его ещё называют волоконно-оптический световод)

2. Жидкостный световод

Волоконный световод

Фиброоптика — это технология передачи света через пучок оптических волокон, очень тонких, гибких стеклянных или пластиковых. Волоконно-оптические световоды состоят из пучка волокон оптического стекла. Обычно в них используется волокно диаметром от 20 до 150 микрон. Хороший волоконный световод будет передавать весь спектр видимого света без потерь. Такие кабели имеют очень высокое качество оптической передачи.

Волоконные световоды могут иметь различную оболочку, вплоть до металлической, однако данный вариант мы не рекомендуем для использования в медицине, так как он очень сложен в очистке.

  

Минусом данного световода является его хрупкость. По мере использования световодных жгутов, некоторые оптические волокна ломаются. Потерю оптических волокон можно увидеть, если один конец кабеля рассматривать при дневном свете. Сломанные волокна видны, как чёрные точки.

Чтобы избежать поломки этих волокон, необходимо учитывать радиус кривизны световода, при любых обстоятельствах он не должен быть менее 15 см. Также волокно может испортиться, если система охлаждения источника света не работает должным образом. В этом случае волокна световода сжигаются (расплавляются), что резко уменьшает интенсивность света. Если используются волокна либо клей низкого качества, волоконный световод может сгореть через несколько месяцев использования.

Также вы можете посмотреть наше видео о волоконных световодах.

 

Жидкостный световод

Эти кабели состоят из оболочки, заполненной прозрачным оптическим гелем. Визуально они могут ничем не отличаться от волоконных световодов, так как также покрыты сверху непрозрачной оболочкой.

Жидкостные световоды способны передавать на 30 процентов больше света, чем оптические световоды. Благодаря большей светопередаче и лучшим характеристикам спектрального поглощения этот кабель рекомендуется в тех случаях, когда выполняется видеофиксация (съёмка, фотография).

Жидкостные световоды можно найти, к примеру, в ассортименте световодов компании Karl Storz. Они выпускаются диаметром от 2 до 5 мм и предназначены для работы с оптикой HOPKINS для автофлуоресценции и фотодинамической диагностики (PDD).

К минусам жидкостных световодов можно отнести то, что они передают больше тепла, чем волоконно-оптические световоды.

Обслуживание световодов

При обслуживания любых световодных жгутов следует соблюдать следующие условия:

  • Обращайтесь со световодами осторожно.
  • Избегайте их чрезмерного скручивания.
  • После того, как операция была завершена, следует сначала отключить разъем световода от эндоскопа, а затем отсоединить от источника света. Фактически, большинство доступных в настоящее время источников света имеют разъем для удержания световода, пока он не остынет.
  • Конец световода следует периодически очищать ватным тампоном, смоченным спиртом.
  • Внешнее покрытие световода должно быть очищено мягким чистящим средством или дезинфицирующим средством.
  • Дистальный конец волоконно-оптического световода никогда не следует размещать рядом с тканью или рядом с пациентом при подключении к источнику света. Тепло, вырабатываемое из-за интенсивности света, может вызвать ожоги пациента или воспламенить ткань.
  • Интенсивность источника света настолько высока, что есть вероятность повреждения сетчатки, если свет будет падать прямо на глаз. Никогда не пытайтесь смотреть прямо на работающий источник света, или на дистальный конец световода, когда он подключен к такому источнику.

Любые световоды Вы можете купить у нас, в «Юни-тек». Звоните:

(812) 291-555-0

Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Подберем оптимальный вариант!

2.2. Принцип действия волоконных световодов. 2. Основные принципы действия волоконных световодов. Параметры оптических волокон. Волоконно-оптические кабели и линии связи

Основным элементом волоконно-оптического кабеля (ВОК), или в дальнейшем оптического кабеля (ОК), является волоконный световод (ВС). Волоконный световод, или оптическое волокно (ОВ), — это оптический волновод ВОСП, предназначенный для направленной передачи оптического излучения, выполненный в виде тонкой стеклянной нити цилиндрической формы с круглым поперечным сечением. Оптическое волокно состоит из сердцевины, одной или нескольких оболочек и одного или нескольких защитных покрытий.

Сердцевина ОВ — это центральная область ОВ, через которую передается основная часть оптической мощности сигнала. Среднее значение показателя преломления (ПП) оболочки меньше среднего значения в сердцевине. В ОВ применяются однородные или депрессированные оболочки. У однородных оболочек ОВ значение ПП постоянное, у депрессированных переменное. Диэлектрическим материалом для сердцевины и оболочки ОВ служит плавленый кварц (кварцевое стекло), чистый или с примесями химических элементов и их соединений, небольшие пропорции которых способствуют изменению оптических свойств плавленого кварца должным образом. Плавленный кварц — это аморфное, прозрачное вещество с химической формулой двуокиси кремния SiO2. Сердцевина и оболочка ОВ обладают разными оптическими характеристиками (показателями преломления n1 и n2). Если сердцевина служит для передачи электромагнитной энергии, то оболочка — для создания лучших условий отражения на границе раздела сердцевина — оболочка, защиты сердцевины волокна от механических повреждений, а также для защиты от излучения энергии в окружающее пространство и поглощения нежелательного излучения извне.

Волоконные световоды делятся на две группы: многомодовые и одномодовые. В конструктивном отношении они различаются диаметром сердцевины (рис. 2.3). В одномодовом световоде диаметр сердцевины d1 соизмерим с длиной волны (d1≈λ), и по нему передается лишь один тип волны (моды). В многомодовых световодах диаметр сердцевины d2 больше длины волны (d2), и по нему распространяется большое число волн. Практически диаметр сердцевины световода составляет 6 — 8 мкм у одномодовых и 50 мкм у многомодовых световодов, диаметр оболочки — 125 мкм, диаметр волокна по защитному покрытию — 250 мкм.

Рис. 2.3. Профили показателей преломления различных световодов:

многомодовых: 1 – ступенчатого, 2 – градиентный;

одномодовых: 3 – ступенчатого, 4 – треугольного, 5 – типа W

Рис. 2.4. Волоконные световоды: а – ступенчатые многомодовые; б – градиентные многомодовые; в — одномодовые

Профили показателей преломления (ППП) различных ОВ приведены на рис. 2.3. ППП многомодовых ОВ подразделяются на ступенчатые и градиентные. В ступенчатых ВС показатель преломления в сердцевине постоянен и имеется резкий переход от n1 сердцевины к n2 оболочки. Градиентные ВС имеют непрерывное плавное изменение показателя преломления в сердцевине по радиусу световода от центра к периферии.

В одномодовых ОВ ППП, в свою очередь, подразделяется на ступенчатый, треугольный, типа W (рис. 2.3).

Траектории лучей в световодах различных групп представлены на рис. 2.4. В ступенчатом многомодовом световоде лучи резко отражаются от границы сердцевина–оболочка. При этом пути следования различных лучей различны, и поэтому они приходят к концу линии со сдвигом во времени, что приводит к искажению передаваемого сигнала (дисперсии). В градиентных световодах лучи распространяются по волнообразным траекториям, поэтому искажений меньше. В наилучших условиях находится одномодовая передача, так как здесь распространяется лишь один луч.

Математически профиль показателя преломления (ППП) ОВ может быть описан выражением вида:

(2.2)

где n1 — максимальное значение ППП на оси волокна, т.е. при r=0; а — радиус сердцевины; u — показатель степени, описывающий изменение ППП; ∆ — относительная разность показателей преломления сердцевины и оболочки ОВ. В разных волокнах значение ∆ меняется от 0,003 до 0,01.

Показатель степени для треугольного профиля ПП равен 1, параболического — 2, а прямоугольного (ступенчатого) — ∞.

Физические процессы, происходящие при распространении электромагнитных волн в волоконных световодах оптических кабелей, имеют свои особенности. В отличие от обычных кабелей, обладающих электрической проводимостью и током проводимости Iпр, ОК имеют совершенно другой механизм передачи, а именно: токи смещения Iсм на основе которых действует также радиопередача. Однако волна в ОК распространяется не в свободном пространстве, а концентрируется в самом объеме световода и передается по нему в заданном направлении (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Процесс передачи волны по световоду

Например, передача волны по световоду со ступенчатым профилем показателя преломления осуществляется за счет отражений ее от границы сердечника и оболочки, имеющих разные показатели преломления (n1 и n2).

В обычных кабелях носителем пере даваемой информации является электрический ток, а в ОК — лазерный луч.

Рис. 2.6. Передача по направляющим схемам: а – двухпроводной; б — волноводной

В симметричных и коаксиальных кабелях передача осуществляется по двухпроводной схеме с применением прямого и обратного проводника цепи. В световодах, волноводах и некоторых других направляющих системах нет двух проводников, и передача происходит волноводным методом за счет многократного отражения волны от границы раздела сред (рис. 2.6). Такой отражающей границей может быть металл — диэлектрик, диэлектрик — диэлектрик с различными диэлектрическими (оптическими) свойствами и др. На волноводном принципе действуют световод, волновод, линия поверхностной волны, диэлектрический волновод и другие конструкции направляющих систем.

Граница раздела разных направляющих систем характеризуется соотношением между длиной волны λ и поперечными размерами направляющей системы d. При λ > d требуется два провода: прямой и обратный и передача происходит по обычной двухпроводной схеме. При λ < d не требуется двухпроводной схемы и передача происходит за счет многократного зигзагообразного отражения волны от границ раздела сред с различными характеристиками. Поэтому передача по волноводным системам (световодам, волноводам и другим НС) возможна лишь при частотах, у которых длина волны соизмерима или меньше, чем поперечные размеры — диаметр НС.

Рассмотрим принцип действия волоконного световода и возможные случаи распространения волны в световоде для разных частот [1.3]. На рис. 2.7 показаны предельные случаи распространения малых длин волн при λ →0 (рис. 2.7 а) и волн, соизмеримых с диаметром световода (d) при λ →d (рис. 2.7 б). В первом случае отражений мало и волна стремится к прямолинейному движению вдоль световода, т.е. передача проходит в выгодных условиях.

Рис. 2.7. Распространение волн в световоде для частот:

а – очень высоких; б – менее высоких; в — критических

Во втором случае волна часто отражается и поступательное движение ее весьма мало. В этом случае вдоль световода передается незначительная доля энергии.

При определенной длине волны λ≈d (рис. 2.7 в) -наступает такой режим, когда θ = 0, волна падает на оболочку световода и отражается перпендикулярно. В световоде устанавливается режим стоячей волны, и энергия вдоль световода не перемещается. Этот режим соответствует критической длине волны λ0 =d и критической частоте f0=c/d.

Таким образом, в световоде могут распространяться лишь волны длиной меньшей, чем диаметр сердцевины световода (λ<d). С учетом того, что, например, в световоде со ступенчатым ППП границей раздела сердцевина — оболочка являются прозрачные стекла, возможно не только отражение оптического луча, но и проникновение его в оболочку. Для предотвращения перехода энергии в оболочку и излучения в окружающее пространство необходимо соблюдать условия полного внутреннего отражения. Реализация этого условия применительно к двухслойному световоду показана на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Принцип действия волоконного световода:

1 — имеется преломленный луч; 2 и 3- отсутствует преломленный луч

По законам геометрической оптики на границе сердцевина — оболочка будут находиться падающая волна АВ с углом φn, отраженная ВС с углом φo, и преломленная волна BD с углом φnp (рис. 2.8, линия 1). Известно, что при переходе из среды с большей плотностью в среду с меньшей плотностью, т.е. при n1>n2, волна при определенном угле падения полностью отражается и не переходит в другую среду. Угол падения, начиная с которого вся энергия отражается от границы раздела сред, т.е. φnв, называется углом полного внутреннего отражения. Этот угол определяется из соотношения:

(2.3)

где μr1 и εr1, μr2 и εr2 — магнитная и диэлектрическая проницаемости сердцевины и оболочки.

При критическом угле φnв волна движется вдоль границы раздела сред сердцевина — оболочка (рис. 2.8, линия 2) и нет излучения в окружающее пространство. При φnв волна полностью отражается и возвращается в исходную среду — сердцевину (рис. 2.8, линия 3). Излучения также нет. Чем больше угол падения волны, т.е. φnв в пределах от qв до 90о, тем лучше условия распространения и быстрее волна придет к приемному концу. В этом случае вся энергия концентрируется в сердцевине световода и практически не излучается во внешнюю среду. При угле, меньшем угла полного отражения, т.е. при φn < θв, энергия проникает в оболочку, излучается во внешнее пространство и передача по световоду неэффективна.

Режим полного внутреннего отражения предопределяет условие ввода света во входной торец волоконного световода. Как видно из рис. 2.8 световод пропускает лишь свет, заключенный в пределах телесного угла θА, который обусловлен углом полного внутреннего отражения θв.

2.3.1. Основы геометрической оптики

Геометрическая оптика имеет историю, датируемую двумя тысячами лет, и предполагает, что свет состоит из лучей, распространяющихся от источника по прямым линиям в гомогенной среде, например стекле, воде, воздухе или вакууме. При этом в геометрической оптике принято утверждение, что плоские волновые фронты распространяются под прямыми углами к каждому лучу и свет уменьшается пропорционально квадрату расстояния.

В общем случае под скоростью света понимают скорость электромагнитной энергии в вакууме. В других материалах (например, в стекле) свет распространяется с меньшей скоростью. При перемещении из одного материала в другой изменяется скорость распространения, что, с точки зрения волновой теории, приводит к изменению направления движения. Отклонение света от прямого направления называется преломлением. Волны с различными длинами в одном и том же материале распространяются с различными скоростями. Зависимость скорости от длины волны имеет важное значение в волоконной оптике.

Как известно, луч света при падении на границу раздела двух сред делится на отраженный и преломленный. Согласно закону отражения луч света, который падает на границу раздела двух сред, отражается под тем же самым углом (φотр) к нормали (перпендикуляру к границе), что и угол падения (φn) к поверхности, т.е. φn = φотр .

Согласно закону Снеллиуса (закон преломления) лучи света, падающие на границу раздела двух сред, имеют углы преломления, отличные от углов падения к нормали границы этих сред. Связь этих углов определяется выражением:

n1sin φ1п=n2sin φ1пр , (2.4)

где n1 и n2 — показатели преломления первой и второй сред, соответственно.

Показатели преломления n (величина безразмерная) выражается через отношение скорости света в вакууме (с) к скорости света в материале (v):

(2.5)

Показатели преломления различных веществ и скорости распространения света в них [2] приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2. Показатели преломления различных материалов








Материал

Показатель преломления

Скорость света, км/с

Вакуум

1,0

300 000

Воздух

1,0003 (1)

300 000

Вода

1,33

225 000

Кварц

1,46

205 000

Стекло

1,5

200 000

Алмаз

2,5

120 000

Особый интерес для волоконной оптики представляет тот факт, что показатель преломления стекла может из меняться в зависимости от его состава. Количество отраженного света от границы двух сред зависит от их показателей преломления. Если излучение видимой области спектра падает на границу раздела двух сред и переходит из оптически более плотной среды n1на оптически менее плотную n2 (n2< n1) и угол падения увеличивается, то угол преломления приближается к 90о. Увеличивая угол падения, можно добиться такого состояния, при котором преломленный луч будет располагаться вдоль границы раздела сред, не переходя в другую среду.

Угол падения при этом называется критическим углом (φкр) полного внутреннего отражения, т.е. угол падения, при котором угол преломления равен 90о, называется критическим углом. Если угол падения больше критического, то свет полностью отражается в исходную среду, не проникая в другой материал. При этом имеет место только отражение, а преломление отсутствует, что приводит к полному внутреннему отражению, т.е. при φ1пр =90о

(2.6)

На этом явлении основан принцип передачи оптического излучения по волоконным световодам.

Рассмотрим отражение света при угле падения, равном 90о. Даже когда свет проходит в более плотную среду, некоторая его часть отражается в исходную среду. Этот эффект получил название отражение Френеля. Чем больше разница показателей преломления сред, тем большая доля света отражается назад. Показатель Френелевского отражения на границе с воздухом

(2.7)

В децибелах потери переданного света составляют:

А = 10lg(1- р). (2.8)

Примером последствий отражения Френеля могут служить потери на вводе и выводе оптического излучения в волоконный световод.

Для света, падающего из воздуха на границу стекла (с n=l,5 для стекла), потери от френелевского отражения равны примерно 0,17 дБ. Это значение зависит от состава стекла. Поскольку такого рода потери происходят как при входе света в стекло, так и при выходе из него, то потери на соединении двух стекол составляют 0,34 дБ.

Поляризованный свет. Свет может рассматриваться как волна, состоящая из двух полей, направленных перпендикулярно друг к другу: электрического поля и магнитного поля (рис. 2.9). Эти поля синхронны с полевыми векторами, с разностью фаз между собой в 90о.

Нормальный свет имеет бесконечное число перпендикулярно колеблющихся плоскостей, распространяющихся в направлении перемещения света. Отражением и рефракцией свет может быть поляризован.

Рис. 2.9. Поля, составляющие свет: электрическое и магнитное

Свет, в котором интенсивность электрического поля остается неизменной, в то время как интенсивность магнитного поля уменьшается, назван ТЕ-поляризованным светом (коэффициент пропускания электрически поляризованного света). Свет, в котором интенсивность магнитного поля остается неизменной, в то время как интенсивность электрического поля уменьшается, называется ТМ-поляризованным светом (коэффициент пропускания поляризованного магнитного поля).

На рис. 2.10 показан пример поляризации света, падающего на поверхность некоторой кристаллической пластины, при этом электрическое и магнитное поля поляризуются по-разному.

Рис. 2.10. Разложение падающего света с помощью пластины на поляризованные электрическое и магнитное поля

Два типа поляризации имеют несколько разные коэффициенты отражения, которые описываются законом отражения Френеля. Интенсивность отраженного света увеличивается от 4 % до 100 % при увеличении угла падения от 0 до 90о для обеих поляризаций (преломленный свет уменьшается на эту же степень), но для ТМ-поляризации интенсивность сначала уменьшается с 4% до нуля, а затем снова увеличивается до 100 % (рис. 2.11). Угол, при котором ТМ-отражение является нулевым, называется углом Брюстера.

Принцип распространения света в стекловолокне основан на законе полного внутреннего отражения. При типичных значениях ПП в сердцевине n1=1,47 и оболочке n2=1,46 ОВ со ступенчатым ППП имеет критический угол полного внутреннего отражения φкр=83,3о.

Рис. 2.11. Диаграммы зависимости коэффициентов отражения (R) и преломления (Т) различных поляризаций от угла падения света

Рис. 2.12. Рэлеевское рассеяние света из-за примесей в среде передачи

Рэлеевское рассеяние и свет Тиндаля. В аморфном материале типа стекла структура материала не везде однородна, поэтому стекло никогда полностью не будет прозрачно. Световой луч, распространяющийся через такой материал, рассеивается в направлениях (например, луч солнечного света в пыльном или заполненном дымом помещении) (рис. 2.12). Это явление называется рэлеевским рассеянием и вызвано присутствием в среде маленьких частиц и неоднородностей. Рассеянный свет называется светом Тиндаля. Гидроксильная группа (ОН), ионы металлов, примеси и т.д. объясняют это явление в стекловолокне.

Рэлеевское рассеивание — это то, что дает небу его синий цвет и солнцу его красный цвет на восходе и на закате. Эти цветные явления вызваны рассеиванием света молекулами воздуха. Молекулы и вариации неоднородностей в стекле функционируют как электрические диполь, излучающие поле.

В атмосфере коротковолновый свет (синий конец спектра) рассеивается в 3-4 раза больше, чем длинноволновый свет (красный конец спектра), который придает небу различные цвета в зависимости от положения солнца на небе. Лорд Рэлей объяснил это явление и показал, что рассеяние имеет решающее значение в выборе диапазона волн в волоконной оптике. Чем больше длина волны, тем меньше потери от рэлеевского рассеяния.

2.3.2. Анализ лучевого распространения света в волоконных световодах

В геометрической оптике световые волны изображаются лучами, направленными по нормали к волновой поверхности. При падении световой волны на плоскую границу раздела двух диэлектриков с разными значениями относительной диэлектрической проницаемости (ε) в общем случае наблюдаются прошедшая (преломленная) и отраженная волны. В соответствии с законом Снеллиуса угол падения связан с углами отражения и преломления с помощью равенства φп= φотр и выражения (2.4). Поскольку в оптических средах отношение магнитной проницаемости (μ) к магнитной проницаемости вакуума (μ0) принимается равным единице, то в этом выражении а . В ОВ среда сердцевины более плотная, чем среда оболочки, т.е. n1>n2, поэтому при угле падения φп> φкр свет полностью отражается от границы сердцевина — оболочка и распространяется только в сердцевине волокна. Как известно, критический угол падения света определяется выражением:

(2.9)

Поток энергии из первой среды во вторую в среднем равен нулю, и энергия падающей электромагнитной волны полностью возвращается в первую среду.

В качестве примера рассмотрим ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления. Ступенчатое оптическое волокно (рис. 2.13) представляет собой двухслойную стеклянную нить, сердцевина которой изготовлена из стекла с показателем преломления n1 диаметром 2a=(3…50) мкм, а оболочка имеет показатель преломления n2 и диаметр 2b=125 мкм. Для обеспечения полного внутреннего отражения на границе раздела необходимо, чтобы n1>n2. Поверх оболочки накладывается защитное покрытие с показателем преломления n3< n2.

На рис. 2.13 световые лучи, описывающие однородные плоские волны, пучком исходят от точечного источника, расположенного на оси волокна. На торце ОВ этот пучок лучей преобразуется в два типа лучей волокна: меридиональные, которые пересекают ось волокна, и косые, которые не пересекают эту ось. На рис. 2.14 представлена траектория прохождения косого луча в ступенчатом ОВ.

Часть меридиональных и косых лучей, испытывая полное внутреннее отражение в местах падения на границу сердцевина — оболочка, распространяется зигзагообразно вдоль ОВ.

Рис. 2.13. Модель ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления

Рис. 2.14. Траектория прохождения косого луча в ОВ

Рассмотрим ход меридиональных лучей, падающих на входной торец ОВ и распространяю- щихся затем вдоль волокна (рис. 2.13). В зависимости от угла наклона луча θ1 к оси Z меридиональные лучи, лежащие в плоскости рисунка, могут испытывать полное внутреннее отражение на границе сердечник — оболочка, если θ1<arccos(n2/n1). При этом образуются моды сердечника 1, или направляемые моды. Если луч падает под углом arccos(n2/n1)< θ1< arccos(n3/n2), то он может сформировать моду оболочки 2. Световые лучи, падающие под углом θ1< arccos(n3/n2), излучаются в пространство, т.е. в защитную оболочку, образуя вытекающие моды, или моды излучения 3.

Луч, падающий на торец волокна из окружающей среды под углом θ0 к оси волокна, преломляется при вхождении в сердцевину и распространяется в ней под углом θ1 в соответствии с законом Снеллиуса:

(2.10)

При этом преломленный луч падает на боковую поверхность под углом φ1=(π/2) – θ1. Для полного внутреннего отражения лучей от боковой поверхности необходимо, чтобы φ1≥φкр, где критический угол падения φкр определяется выражением (2.9). Следовательно, sinφ1=cosθ1n2/n1.

Из (2.10) следует, что

Таким образом,

Однако , т.е.

(2.11)

Таким образом, если выполняется условие (2.11), то любой меридиональный луч распространяется вдоль сердцевины волокна. Это условие справедливо и для косых лучей.

Рис. 2.15. Оптическое волокно: 1-сердцевина; 2-оболочка; 3-защитное покрытие

На рис. 2.15 представлена конструкция волокна в оболочке с защитным покрытием, в котором оптическое излучение распространяется в ОВ такой конструкции при выполнении условия n1>n2>n3.. Соотношение между n1 и n2принято характеризовать относительной разностью ПП [4]

(2.12)

которая для большинства ОВ составляет 10-2…10-3. Показатель преломления оболочки имеет постоянное значение, а сердцевины — либо постоянное, либо изменяющееся по радиусу по определенному закону.

Изменение показателя преломления ОВ вдоль радиуса называется профилем показателя преломления.

Наличие оптической оболочки усложняет волновой процесс в ОВ. Часть меридиональных и косых лучей, многократно отражаясь от границы сердцевина — оболочка, распространяется вдоль сердцевины и образует моды сердцевины (направляемые моды). Остальные лучи, которые падают на эту границу под углами φпкр, уходят из сердцевины наружу. Лучи, покинувшие сердцевину, образуют моды излучения. Некоторые из них распространяются в оболочке за счет полного внутреннего отражения от границы оболочка — окружающая среда и образуют моды оболочки. Если защитное покрытие ОВ выполнено из сильно поглощающего материала, то оно устраняет перекрестные помехи между ОВ в оптическом кабеле, обусловленные модами излучения. Кроме того, защитное покрытие рассеивает энергию мод оболочки аналогично направляемым модам диэлектрического стержня. Как отмечалось выше, поле направляемых мод частично проникает в окружающую среду, где экспоненциально убывает, при этом глубина проникновения в оболочку ОВ, т.е. расстояние, на котором это поле убывает в е раз (е=2,718), определяется при φпкр выражением [5]:

(2.13)

где λ — длина волны оптического излучения, вводимого в ОВ.

Режим полного внутреннего отражения предопределяет условие подачи света на входной торец волоконного световода. Из рис. 2.16 видно, что световод пропускает лишь свет, заключенный в пределах телесного угла θА, величина которого обусловлена углом полного внутреннего отражения θВ. Этот телесный угол θА характеризуется апертурой. Апертура-это угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, попадающего в торец волоконного световода, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения. Обычно пользуются понятием числовой апертуры:

(2.14)

где n0, n1, n2 — показатели преломления воздуха, сердечника, оболочки соответственно.

Имея в виду, что для воздуха n0=1, получим

(2.15)

Как видно из рис. 2.16 между углом полного внутреннего отражения θВ и апертурным углом падения луча θА имеется взаимосвязь. Чем больше угол θВ, тем меньше апертура волокна θА. Для ступенчатых ОВ, используемых в системах связи, числовая апертура обычно равна 0,18 — 0,23.

Формула (2.15) учитывает только меридиональные лучи ОВ. Однако, в основном, в ОВ преобладают косые лучи, которые не пересекают ось, а распространяются по ломаным (для ступенчатого ОВ) или право- или левовинтовым спиралям (для градиентного ОВ).

Вывод простого выражения для числовой апертуры косых лучей очень сложен. Отметим только, что числовая апертура, подсчитанная для меридиональных лучей ступенчатого ОВ (2.15), меньше действительной числовой апертуры NAД, учитывающей все лучи. Отношение NAД /NA для различных значений ПП п1и п2, например в [5, 6], увеличивается с уменьшением разности п1-п2, т.е. с уменьшением апертуры NA меридиональных лучей.

Рис. 2.16. Принцип действия ОВ

Простое и наглядное представление направляемых мод в ОВ с помощью лучей не учитывает свойства света как электромагнитной волны и во многих случаях не позволяет получить правильные результаты. Например, в соответствии с изложенным выше вся бесконечная совокупность лучей, падающих на торец ОВ в пределах угла θА, должна образовывать также бесконечную совокупность направляемых мод. Однако это не так. Волновая теория света показывает, что только конечное число лучей конического пучка с определенными углами падения на торец может образовать направляемые моды ОВ. Это объясняется с точки зрения лучевой оптики в ступенчатом световоде тем, что при полном внутреннем отражении от границы с оболочкой волна приобретает фазовый сдвиг, зависящий от угла падения. Если в сердцевине многократно отраженные волны складываются по фазе, то образуется направляемая волна. В противном случае поля волн взаимно компенсируются.

Световод — это… Что такое Световод?

Связка оптоволокна. Теоретически, использование передовых технологий, таких как DWDM, со скромным количеством волокон, которое представлено здесь, может дать достаточную пропускную способность, с помощью которой легко было бы передать всю необходимую информацию, в которой нуждается вся планета (около 100 терабит в секунду в одном оптоволокне. )

Оптоволокно — это стеклянная или пластиковая нить, используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения. Волоконная оптика — раздел прикладной науки и машиностроения, описывающий такие волокна. Оптоволокна используются в оптоволоконной связи, которая позволяет передавать цифровую информацию на большие расстояния и с более высокой скоростью передачи данных, чем в электронных средствах связи. В ряде случаев они также используются при создании датчиков.

Простой принцип действия позволяет использовать различные методы, дающие возможность создавать самые разнообразные оптоволокна:

  • Одномодовые оптоволокна
  • Многомодовые оптоволокна
  • Оптоволокна с градиентным показателем преломления
  • Оптоволокна со ступенчатым профилем распределения показателей преломления.

Из-за физических свойств оптоволокна необходимы специальные методы для их соединения с оборудованием. Оптоволокна являются базой для различных типов кабелей, в зависимости от того, где они будут использоваться.

Принцип передачи света внутри оптоволокна был впервые продемонстрирован во времена королевы Виктории (1837—1901 гг.), но развитие современных оптоволокон началось в 1950-х годах. Они стали использоваться в связи несколько позже, в 1970-х; с этого момента технический прогресс значительно увеличил диапазон применения и скорость распространения оптоволокон, а также уменьшил стоимость систем оптоволоконной связи.

Применение

Оптоволоконная связь

Оптоволокно может быть использовано как средство для дальней связи и построения компьютерной сети, вследствие своей гибкости, позволяющей даже завязывать кабель в узел. Несмотря на то, что волокна могут быть сделаны из прозрачного пластичного оптоволокна или кварцевого волокна, волокна, использующиеся для передачи информации на большие расстояния, всегда сделаны из кварцевого стекла, из-за низкого оптического ослабления электромагнитного излучения. В связи используются многомодовые и одномодовые оптоволокна; многомодовое оптоволокно обычно используется на небольших расстояниях (до 500 м), а одномодовое оптоволокно — на длинных дистанциях. Из-за строгого допуска между одномодовым оптоволокном, передатчиком, приемником, усилителем и другими одномодовыми компонентами, их использование обычно дороже, чем применение мультимодовых компонентов.

Оптоволоконный датчик

Оптоволокно может быть использовано как датчик для измерения напряжения, температуры, давления и других параметров. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии, дает оптоволоконным датчикам преимущество перед традиционными электрическими в определенных областях.

Оптоволокно используется в гидрофонах в сейсмических или гидролокационных приборах. Созданы системы с гидрофонами, в которых на волоконный кабель приходится более 100 датчиков. Системы с гидрофоновым датчиком используются в нефтедобывающей промышленности, а также флотом некоторых стран. Немецкая компания лазерный микроскоп, работающий с лазером и оптоволокном[1].

Оптоволоконные датчики, измеряющие температуры и давления, разработаны для измерений в нефтяных скважинах. Оптоволоконные датчики хорошо подходят для такой среды, работая при температурах, слишком высоких для полупроводниковых датчиков (Оптоволоконное измерение температуры).

Разработаны устройства дуговой защиты с волоконно-оптическими датчиками, основными преимуществами которых перед традиционными устройствами дуговой защиты являются: высокое быстродействие, нечувствительность к электромагнитным помехам, гибкость и лёгкость монтажа, диэлектрические свойства.

Другое применение оптоволокна — в качестве датчика в лазерном гироскопе, который используется в Boeing 767 и в некоторых моделях машин (для навигации). Специальные оптические волокна используются в интерферометрических датчиках магнитного поля и электрического тока. Это волокна полученные при вращении заготовки с сильным встроеным двойным лучепреломлением.

Оптоволокно применяется в охранной сигнализации на особо важных объектах (например, ядерное оружие). Когда злоумышленик пытается переместить боеголовку, условия прохождения света через световод изменяются, и срабатывает сигнализация.

Другие применения оптоволокна


Диск фрисби, освещенный оптоволокном

Оптоволокна широко используются для освещения. Они используются как световоды в медицинских и других целях, где яркий свет необходимо доставить в труднодоступную зону. В некоторых зданиях оптоволокна используются для обозначения маршрута с крыши в какую-нибудь часть здания. Оптоволоконное освещение также используется в декоративных целях, включая коммерческую рекламу, искусство и искусственные ёлки.

Оптоволокно также используется для формирования изображения. Когерентный пучок, передаваемый оптоволокном, иногда используется совместно с линзами — например, в эндоскопе, который используется для просмотра объектов через маленькое отверстие.

Примечания

См. также

Литература

  • Gambling, W. A., «The Rise and Rise of Optical Fibers», IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 6, No. 6, pp. 1084–1093, Nov./Dec. 2000
  • Gowar, John, Optical Communication Systems, 2 ed., Prentice-Hall, Hempstead UK, 1993 (ISBN 0-13-638727-6)
  • Hecht, Jeff, City of Light, The Story of Fiber Optics, Oxford University Press, New York, 1999 (ISBN 0-19-510818-3)
  • Hecht, Jeff, Understanding Fiber Optics, 4th ed., Prentice-Hall, Upper Saddle River, NJ, USA 2002 (ISBN 0-13-027828-9)
  • Nagel S. R., MacChesney J. B., Walker K. L., «An Overview of the Modified Chemical Vapor Deposition (MCVD) Process and Performance», IEEE Journal of Quantum Mechanics, Vol. QE-18, No. 4, April 1982
  • Ramaswami, R., Sivarajan, K. N., Optical Networks: A Practical Perspective, Morgan Kaufmann Publishers, San Francisco, 1998 (ISBN 1-55860-445-6)

Ссылки

Wikimedia Foundation.
2010.

Применение световода

Балтийский 
государственный технический университет 

«Военмех» им. Д.
Ф. Устинова

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа
по «Линиям передач лучевой энергии»

На тему: «Применение световода»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

Студент группы
Н391

Титов А. С.

Проверил:

Иванов Д.Ю.

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2012 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

 

  1. ОГЛАВЛЕНИЕ………………………………………………………………2
  2. ВВЕДЕНИЕ………………….……………………………………………………………………..3
  3. ХАРАКТЕРИСТИКИ  СВЕТОВОДОВ…………………….…….…….…..5
  4. ПРИМЕНЕНИЕ СВЕТОВОДОВ……………………………….……………8
  5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………….……..……17
  6. ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА…………………………………………19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Человек издавна 
использовал свет в качестве источника 
сигналов, например маяки, костры и 
т.п. Еще в те далекие времена 
он фактически построил то, что сегодня
мы называем оптической линией связи или
оптической системой связи, включающей
передатчик (источник), модулятор, оптическую
кабельную линию и приемник (глаз). [2]

Определив в 
качестве модуляции преобразование
механического сигнала в оптический, например
открытие и закрытие источника света,
мы можем наблюдать в приемнике обратный
процесс — демодуляцию: преобразование
оптического сигнала в сигнал другого
рода для дальнейшей обработки в приемнике.
[2]

Такая обработка 
может представлять собой, например, превращение
светового образа в глазу в последовательность
электрических импульсов нервной системы
человека. Головной мозг включается в
процесс обработки как последнее звено
цепи. [2]

Другим, очень 
важным параметром, используемым при передаче сообщений, является
скорость модуляции. Глаз в этом отношении
имеет ограничения. Он хорошо приспособлен
к  восприятию и анализу сложных картин
окружающего мира, но не может следить
за простыми колебаниями яркости, когда
они следуют быстрее 16 раз в секунду. В
отличие от глаза, современные оптические
системы используют в качестве световых
приемников технические устройства — фотоэлементы
или фотодиоды, позволяющие отслеживать
значительные частоты колебаний. [2]

 

Немного
истории

Попытки использовать свет, для передачи
информации уходят к временам, когда человек
только научился сохранять огонь. Всевозможные
сигналы, с помощью костров, фонарей, маяков
человечество использовало тысячелетия.
[3]

В 1790 году, во Франции, Колд Шапп построил
систему оптического телеграфа,
состоящую из цепи семафорных башен с
сигнальными рычагами. Следующий большой
шаг сделал в 1880 году американец Александр
Грэхем Белл. Он изобрёл фотофон, в котором
речевые сигналы передавались с помощью
света. Однако эта идея не нашла практического
применения. Погода и состояние атмосферы
не позволяли гарантированно передавать
сигнал на приемлемые расстояния. Атмосфера,
как среда передачи была неудобна. [3]

Дэниел Колладон сначала описал
этот «легкий фонтан» или «легкая
труба» в 1842, а в 1870 году, английский
физик Джон Тиндаль продемонстрировал
(см. рис. справа), что свет может передаваться
в потоке воды. В его экспериментах использовался
принцип полного внутреннего отражения,
который применяется в современных световодах.
[3]

Следующим заметным этапом был патент,
который получил в 1934 году американец
Норман Р. Френч на оптическую телефонную
систему. Он предлагал модулировать речевыми
сигналами свет и передавать его по системе
«кабелей» состоящих из стержней изготовленных
из чистого стекла. Для реализации этого
проекта необходимо было иметь подходящий
источник излучения и возможность изготовления
сверхчистого материала для светопроводящих
стержней. Технически реализовать его
идею удалось только спустя четверть века.
[3]

В 1958 году американцы Артур Шавлов
и Чарльз Г. Таунс, и независимо советские
физики Прохоров и Басов разработали лазер.
Первые лазеры начали работать в 1960 году.
Позже, в 1962 году советский учёный Ж. Алфёров
предсказал возможность создания гетеропереходов
и построение на их основе полупроводниковых
лазерных излучателей. Позже были созданы
полупроводниковые светодиодные и лазерные
излучатели. К этому времени уже были разработаны
полупроводниковые фотодиоды. Но для построения
эффективных сетей передачи данных необходимо
было иметь световоды с коэффициентом
затухания не более 20 дБ/км. Лучшие на то
время световоды использующиеся в медицине
для прямой передачи изображения на короткие
расстояния составляло порядка 1000 дБ/км.

Прорыв был произведён в 1970 году
компанией Corning. Они получили оптические
волокна со ступенчатым профилем показателя
преломления с коэффициентом затухания
на длине волны 633 нм менее 20 дБ/км. Уже
к 1972 году удалось уменьшить коэффициент
затухания на длине волны 850 нм до 4 дБ/км.
Современные многомодовые волокна имеют
коэффициент затухания на длине волны
850 нм не более 2,7 дБ/км, одномодовые волокна
имеют коэффициент затухания на длине
волны 1550 нм не более 0,2 дБ/км. [3]

Первые волоконно-оптические кабели
были пущены в эксплуатацию для телефонной
связи на кораблях военно-морского
флота США в 1973 году. Позже они стали активно
использоваться в авиации, позволяя полностью
исключить помехи в каналах передачи данных
и при этом существенно уменьшить вес
оборудования. [3]

Первый стандартный подводный 
волоконно-оптический кабель (ТАТ-8)
был успешно проложен через Атлантический
океан в 1988 году. [3]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ХАРАКТЕРИСТИКИ 
СВЕТОВОДОВ

 

Прежде чем перейти к применению световодов,
сначала рассмотрим их виды и характеристики.

 

Профили
волоконных световодов [3]

Основными профилями 
оптических  волокон являются:

  • треугольный профиль
  • параболический профиль
  • ступенчатый профиль

В последнем 
случае, при ступенчатом профиле,
показатель преломления в стекле
сердцевины остаётся постоянным, для 
остальных случаев, показатель преломления постепенно
увеличивается от величины n2 для
стекла оболочки, до величины n1 у
оси волоконного световода. Последние
называют градиентными профилями распределения
показателя преломления.

Типы 
оптических волокон, светодиодов [3]

В настоящее время используют два типа оптического
волокна: многомодовые
и одномодовые.

Все современные 
оптические волокна использующиеся
для построения сетей передачи данных
имеют одинаковый внешний диаметр 
равный — 125 мкм. Для механической защиты
волокна покрывают оболочкой (первичное буферное
покрытие) её толщина — 250 мкм. Для упрощения
работы с многоволоконными кабелями, буферное
покрытие волокон находящихся в одном
кабеле окрашивают в различные цвета.
Для кабелей в которых используется большое
количество волокон, оптические волокна
склеиваются в плоские шлейфы (чаще всего
по 8 волокон). Далее эти шлейфы укладывают
параллельно в «стопки» и помещают в специальные
полости внутри оболочки кабеля. Таким
образом достигается максимально плотная
паковка волокон в кабель с ограниченным
внешним диаметром. Оптические волокна
использующиеся для кабелей предназначенных
для прокладки внутри помещений и для
кабелей применяемых для изготовления
соединительных шнуров, обычно покрывают
ещё одной оболочкой (вторичное буферное
покрытие), её толщина — 900 мкм. В многоволоконных
кабелях эту оболочку так-же делают различных
цветов.

Многомодовое 
волокно  — волокно с большим диаметром
сердцевины, по которой проходит свет.
Такое название объясняется спецификой
прохождения электромагнитной волны по
сердечнику волокна (см. рис.1). В стандартном
многомодовом волокне со ступенчатым
профилем преломления, лучи света распространяются
по сердцевине волокна благодаря эффекту полного внутреннего отражения.

 При этом,
лучи света встречающие границу 
(торец оптического волокна) под
острым углом (измеренным относительно
осевой линии), входя во внутрь волокна,
полностью отражаются, двигаясь в сердцевине
волокна.

 Критический угол (максимальный
угол для полного внутреннего отражения)
определяется средой преломления между
материалами оболочки и сердцевины волокна.

 

 

 

 

 

 

Рис. 1 Распространение света через многомодовое
оптическое волокно

 

 Лучи, которые 
сталкиваются с границей под углом большим,
чем критический, преломляются, проходя
из сердцевины в оболочку, и не передают
свет, т. е. информацию вдоль волокна. Критический
угол равен максимальному углу входящего
в волокно излучения и зависит от величины
диаметра сердцевины волокна. Высокая
числовая апертура (диаметр сердцевины)
вынуждают свет проходящий под различными
углами, подвергаться эффекту дисперсии,
при этом происходит существенное наложение
лучей света в сердцевине. Большой диаметр
сердцевины увеличивает дисперсию, поскольку
лучи под различными углами имеют различные
длины траекторий и поэтому затрачивают
различное время на прохождение всей длины
волокна.

МОВ состоят 
из сердцевины и оболочки. Снаружи 
волокна имеют до нескольких защитных
буферных покрытий (оболочек). (см. рис.2)

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2  многомодовое оптическое волокно
— G 50/125мкм

 

Многомодовые 
волокна со ступенчатым
профилем [3]

Первые волокна 
для передачи данных были многомодовыми 
со ступенчатым профилем показателя
преломления. Для распространения 
света благодаря полному внутреннему 
отражению, необходимо иметь показатель
преломления стекла сердцевины n1, немного большим,
чем показатель преломления стекла оболочки
n2. На границе раздела двух стеклянных
сред должно выполняться условие: n1
> n2. Если показатель преломления
сердцевины оптического волокна n1 одинаков
по всему поперечному сечению, то тогда
говорят, что волокно имеет ступенчатый
профиль. Такой волоконный световод является
многомодовым. Импульс света, распространяющийся
в нем, состоит из многих составляющих,
направляемых в отдельных модах световода.
Каждая из этих мод возбуждается на входе
волокна под своим определённым углом
ввода в световод и направляется по нему
вдоль сердцевины, проходя по различным
траекториями движения луча. Каждая мода
проходит разное расстояние оптического
пути и поэтому проходит всю длину световода
за разное время. При этом, если мы подадим
на вход световода короткий (прямоугольный)
импульс света, то на выходе многомодового
световода получим «размытый» по времени
импульс. Эти искажения, обусловленные
дисперсией времени задержки отдельных
мод, называются модовой дисперсией.

 

 

 

Многомодовые 
волокна с градиентным профилем [3]

В многомодовом
оптическом волокне со ступенчатом 
профилем, моды распространяются по оптическим
путям разной длинны и поэтому 
приходят к концу световода в 
разное время. Эта дисперсия может 
быть значительно уменьшена, если показатель
преломления стекла сердцевины уменьшается
параболически от максимальной величины
n1 у оси световода, до величины показателя
преломления n2 на поверхности границы
раздела с оболочкой. Оптический волновод
с таким профилем, (когда показатель преломления
плавно изменяется) называется градиентным
волоконным световодом. Лучи света проходят
по такому волокну по волно- или винтообразным
спиралям. Чем дальше отклоняется луч
света от оси световода, тем сильнее он
заворачивается обратно к оси. При этом,
так как показатель преломления от оси
к краю сердцевины уменьшается, то увеличивается
скорость распространения света в среде.
Благодаря этому более «длинные» оптические
пути компенсируются меньшим временем
прохождения. В результате различие временных
задержек различных лучей почти полностью
исчезает.

 

Одномодовое
волокно — волокно, основной диаметр
сердцевины которого, приблизительно
в десять раз меньше длины волны, проходящего
по нему света.

 

Волокно
со ступенчатым профилем [3]

Модовая дисперсия в оптическом волокне
может быть исключена, если структурные
параметры ступенчатого световода подобрать
таким образом, что в нём будет направляться
только одна мода, а именно — фундаментальная
(основная) мода. Однако и основная мода
так же уширяется во времени по мере её
прохождения по такому световоду. Это
явление называется хроматической дисперсией.
Она является свойством материала, поэтому
как правило, имеет место в любом оптическом
световоде, но в диапазоне длин волн от
1200 до 1600 нм она относительно мала или
отсутствует. Для изготовления ступенчатого
волоконного световода с малым затуханием,
который направляет только фундаментальную
моду в диапазоне длин волн более 1200 нм
диаметр поля моды должен быть уменьшен
до 8-10 мкм. Такой ступенчатый волоконный
световод называется стандартным одномодовым
оптическим волокном.

 

Волокна
с многоступенчатым профилем [3]

Профиль показателя
преломления обычного одномодового
световода имеет ступенчатый 
профиль. Для такой структуры 
профиля сумма дисперсии материала в волноводной дисперсии
при длине волны около 1300 нм равна нулю.
Для современных устройств передачи данных
по оптическому волокну, использующих
длины волн 1550 нм или одновременную передачу
сигналов на нескольких длинах волн, желательно
иметь нулевую дисперсию и при других
длинах волн. А для этого необходимо изменить
волновую дисперсию и, следовательно,
структуру профиля волоконного световода.
Это приводит к многоступенчатому или
сегментному профилям показателей преломления
в волокне. Используя эти профили, можно
производить волоконные световоды, у которых
длина волны с нулевой дисперсией сдвинута
до 1550 нм (волокно со смещённой дисперсией)
или величины дисперсии очень малы во
всём диапазоне волн от 1300 нм до 1550 нм (волокно
со сглаженной или компенсированной дисперсией).

2. Основные принципы действия волоконных световодов. Параметры оптических волокон. Волоконно-оптические кабели и линии связи

2.1. Волны, частицы и электромагнитный спектр

2.2. Принцип действия волоконных световодов

2.3. Основные положения геометрической (лучевой) оптики при передаче света в волоконных световодах

2.3.1. Основы геометрической оптики

2.3.2. Анализ лучевого распространения света в волоконных световодах

2.4. Основные положения волновой теории передачи света по световодам

2.4.1. Основные понятия

2.4.2. Взаимодействие оптической волны со средой

2.4.3. Волновые уравнения

2.4.4. Граничные условия

2.4.5. Волновой анализ распространения мод

2.4.6. Глоговское группирование мод

2.5. Параметры оптических волокон

2.5.1. Геометрические и оптические параметры оптических волокон

2.5.2. Параметры передачи оптических волокон

2.5.3. Механические параметры оптических волокон

2.1. Волны, частицы и электромагнитный спектр

Рис. 2.1. Типы поляризаций: а — линейная; б — круговая; в — эллиптическая

Свет представляет собой один из видов электромагнитной энергии, такой же как радиоволны, рентгеновские лучи и, наконец, электронные цифровые импульсы. Электромагнитные волны— это переменные магнитные и электрические поля, направленные перпендикулярно друг другу и направлению распространения. Световая волна является поперечной волной. Если электрическое и магнитное поля колеблются в плоскости, то в фиксированной точке пространства (Z) конец вектора напряженности электрического или магнитного поля с течением времени перемещается вдоль отрезка прямой линии. Такую волну называют линейно-поляризованной. Если вектор , оставаясь неизменным по величине, вращается с угловой частотой ω вокруг направления Z0, то конец вектора описывает окружность. Волны такого типа называются волнами с круговой поляризацией. При произвольных значениях амплитудных и начальных фазовых составляющих вектора (Eх, Еу, и φх, φу) в фиксированной точке пространства Z конец этого вектора описывает эллипс. Волны такого типа принято называть волнами с эллиптической поляризацией (рис 2.1).

В физике все виды материи разделяются либо на волны, либо на частицы. Обычно свет представляется в виде волн, а электроны — в виде частиц. Однако современные физические исследования показали, что четкой границы между частицами и волнами не существует. Поведение как частицы, так и волны может быть и корпускулярным, и волновым.

Частицы света называются фотонами. Фотон представляет собой квант, или пакет излучения. Квант — это элементарная единица излучения. Нельзя наблюдать половину или 5,33 кванта. Количество энергии, переносимое фотоном, увеличивается с ростом частоты: большие частоты соответствуют большему количеству энергии. Длине волны фиолетового диапазона, имеющей большую частоту, соответствует большее количество энергии, чем волнам красного диапазона. Энергия, запасенная в одном фотоне,

E=hf, (2.1) где f — частота и h — постоянная Планка, равная 6,63х10-34Дж∙с (джоуль секунда).

Из уравнения видно, что энергия фотона пропорциональна частоте (или длине волны).

Существует несколько уровней энергии для различных высокочастотных длин волн и, чем выше частота, тем большую энергию имеет квант.

Инфракрасный свет (1013 Гц) 6,63 х10-20 Дж ∙ с

Видимый свет (1014 Гц) 6,63 х10-19 Дж ∙ с

Ультрафиолетовый свет (1015 Гц) 6,63 х10-18Дж ∙ с

Рентгеновские лучи (1018 Гц) 6,63 х10-15 Дж ∙с

Фотон является странной частицей с нулевой массой покоя. Если он не движется, то не существует. В этом смысле фотон не является частицей, такой как камень или капля чернил. Он служит вместилищем энергии, но ведет себя как частица.

В волоконной оптике свет рассматривают и как частицу, и как волну. Обычно в зависимости от смысла используют либо одно, либо другое понятие. Например, многие характеристики оптического волокна основаны на длине волны, и свет рассматривается как волна. Однако испускание света источником или его поглощение детектором лучше описывается теорией частиц.

Фотоны, попадающие на детектор и поглощаемые им, выделяют энергию и обеспечивают электрический ток в цепи. Светоизлучающие диоды (СИД) работают на принципе передачи энергии от электронов к фотонам, энергия которых определяет длину волны излучаемого света. Таким образом, свет ведет себя различным способом при различных обстоятельствах. Поэтому, чтобы описать свет, необходимо использовать, в зависимости от обстоятельств, различные подходы (положения геометрической оптики, волновой оптики или квантовой оптики) [1].

Рис. 2.2. Электромагнитный спектр

В данной книге свет рассматривается, как электромагнитная волна или как электромагнитное излучение. Рассмотрим электромагнитный спектр, используемый в волоконных световодах. Электромагнитное излучение образует непрерывный частотный спектр, простирающийся от ультразвука к радиоволнам, микроволновому излучению, рентгеновским лучам и далее (рис. 2.2). Свет представляет собой электромагнитное излучение с большей частотой и более короткой длиной волны по сравнению с радиоволнами. Он распространяется в волне таким же образом, как и радиосигналы, рентгеновские лучи и т.д. Световое излучение занимает только маленькую часть электромагнитного спектра [2].

Видимый свет находится в пределах диапазона волн 390-760 нанометров (нм=10-9 м), или 0,39-0,76 тысячных частей мм. Сравните это с радиоволнами, которые имеют длину волны от сотен до тысяч метров! Свет в общем использовании означает только видимый свет, но этот термин обычно расширяется и включает и ультрафиолетовое (коротковолновое), и инфракрасное излучение (длинноволновое). Фактически термин свет охватывает весь спектр излучения, который может управляться подобным способом (линзами, сетками, призмами и т.д.). Этот более широкий диапазон находится в пределах от 190 нм (ультрафиолетовый свет) до 2000 нм (инфракрасный свет).

В оптической связи с помощью волоконных световодов используется приграничный с инфракрасным диапазоном волны от 800 до 1600 нм. На данном этапе в волоконно-оптических системах передачи ВОСП в казанном диапазоне применяется пять окон прозрачности (табл. 2.1).

Таблица 2.1. Диапазоны длин волн окон прозрачности







Окно прозрачности Диапазон длин волн, нм

Первое

Около 850

Второе

1280 – 1325

Третье

1530 – 1565

Четвертое

1565 – 1620

Пятое

1350 — 1450

Высокие частоты света или малые длины волн представляют большой интерес с точки зрения коммуникационной технологии, так как более высокие частоты несущей волны означают большую скорость передачи информации. Технология волоконной оптики позволяет использовать потенциальную возможность света и обеспечивать высокую скорость передачи информации.

2.2. Принцип действия волоконных световодов

Основным элементом волоконно-оптического кабеля (ВОК), или в дальнейшем оптического кабеля (ОК), является волоконный световод (ВС). Волоконный световод, или оптическое волокно (ОВ), — это оптический волновод ВОСП, предназначенный для направленной передачи оптического излучения, выполненный в виде тонкой стеклянной нити цилиндрической формы с круглым поперечным сечением. Оптическое волокно состоит из сердцевины, одной или нескольких оболочек и одного или нескольких защитных покрытий.

Сердцевина ОВ — это центральная область ОВ, через которую передается основная часть оптической мощности сигнала. Среднее значение показателя преломления (ПП) оболочки меньше среднего значения в сердцевине. В ОВ применяются однородные или депрессированные оболочки. У однородных оболочек ОВ значение ПП постоянное, у депрессированных переменное. Диэлектрическим материалом для сердцевины и оболочки ОВ служит плавленый кварц (кварцевое стекло), чистый или с примесями химических элементов и их соединений, небольшие пропорции которых способствуют изменению оптических свойств плавленого кварца должным образом. Плавленный кварц — это аморфное, прозрачное вещество с химической формулой двуокиси кремния SiO2. Сердцевина и оболочка ОВ обладают разными оптическими характеристиками (показателями преломления n1 и n2). Если сердцевина служит для передачи электромагнитной энергии, то оболочка — для создания лучших условий отражения на границе раздела сердцевина — оболочка, защиты сердцевины волокна от механических повреждений, а также для защиты от излучения энергии в окружающее пространство и поглощения нежелательного излучения извне.

Волоконные световоды делятся на две группы: многомодовые и одномодовые. В конструктивном отношении они различаются диаметром сердцевины (рис. 2.3). В одномодовом световоде диаметр сердцевины d1 соизмерим с длиной волны (d1≈λ), и по нему передается лишь один тип волны (моды). В многомодовых световодах диаметр сердцевины d2 больше длины волны (d2), и по нему распространяется большое число волн. Практически диаметр сердцевины световода составляет 6 — 8 мкм у одномодовых и 50 мкм у многомодовых световодов, диаметр оболочки — 125 мкм, диаметр волокна по защитному покрытию — 250 мкм.

Рис. 2.3. Профили показателей преломления различных световодов:

многомодовых: 1 – ступенчатого, 2 – градиентный;

одномодовых: 3 – ступенчатого, 4 – треугольного, 5 – типа W

Рис. 2.4. Волоконные световоды: а – ступенчатые многомодовые; б

Как работает волоконная оптика?

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 26 сентября 2018 г.

Римляне, должно быть, были особенно
Довольные собой в тот день, когда они изобрели свинцовые трубки около 2000 лет назад. Наконец они
у них был простой способ переносить воду из одного места в другое.
Представьте, что бы они сделали из современных оптоволоконных кабелей — «труб», которые
может передавать телефонные звонки и электронную почту по всему миру за седьмую часть
второй!

Фото: Световая труба: волоконная оптика означает направление световых лучей по тонким пластиковым или стеклянным нитям, заставляя их многократно отражаться от стен.Это смоделированное изображение. Обратите внимание, что в некоторых странах, включая Великобританию,
волоконная оптика пишется «волоконная оптика». Если вы ищете информацию в Интернете, она всегда
стоит поискать оба варианта написания.

Что такое волоконная оптика?

Мы привыкли к тому, что информация путешествует по-разному.
Когда мы говорим по стационарному телефону,
проводной кабель несет
звуки нашего голоса в розетку в стене, где другой кабель
берет на местную телефонную станцию.Мобильные телефоны работают иначе
способ: они отправляют и получают информацию с помощью невидимых
радиоволны — а
Технология называется беспроводной, потому что в ней не используются кабели. Волоконная оптика
работает третий способ. Он отправляет информацию, закодированную в луче
света вниз по стеклянной или пластиковой трубе. Первоначально он был разработан
для эндоскопов в
1950-х годов, чтобы помочь врачам заглянуть внутрь человеческого тела без необходимости
сначала разрежьте его. В 1960-х инженеры нашли способ использовать
та же технология для передачи телефонных звонков со скоростью света
(обычно это 186 000 миль или 300 000 км в секунду в вакууме,
но замедляется примерно до двух третей от этой скорости в оптоволоконном кабеле).

Оптическая техника

Фото: Отрезок 144-жильного оптоволоконного кабеля. Каждая прядь сделана из оптически чистого стекла и тоньше человеческого волоса. Изображение Тех. Сержант. Брайан Дэвидсон, любезно предоставлено
ВВС США.

Оптоволоконный кабель состоит из невероятно тонких жил.
из стекла или пластика, известного как оптические волокна; один кабель может иметь как минимум два
прядей или целых несколько сотен. Каждая прядь меньше
в десять раз толщиной с человеческий волос и может принимать около 25000 телефонных звонков,
Таким образом, весь оптоволоконный кабель может легко передать несколько миллионов вызовов.

Волоконно-оптические кабели передают информацию между двумя местами, используя
полностью оптическая (световая) технология. Предположим, вы хотите отправить
информация с вашего компьютера на
дом друга по улице
с помощью волоконной оптики. Вы можете подключить свой компьютер к лазеру, который
преобразовал бы электрическую информацию из компьютера в серию
световые импульсы. Затем вы запускаете лазер по оптоволоконному кабелю.
После прохождения по кабелю световые лучи выходили на
другой конец.Вашему другу понадобится фотоэлемент (светочувствительный
компонент), чтобы превратить импульсы света обратно в электрическую информацию
его или ее компьютер мог понять. Так что весь аппарат будет
как действительно изящная высокотехнологичная версия телефона, который можно
Сделайте из двух банок для печеной фасоли и отрезка веревки!

Как работает волоконная оптика

На фото: оптоволоконные кабели достаточно тонкие, чтобы их можно было изгибать, поэтому световые сигналы проходят внутрь по изогнутым путям.Фотография любезно предоставлена ​​Исследовательским центром Гленна НАСА.
(НАСА-GRC).

Изображение: Полное внутреннее отражение удерживает световые лучи от внутренней части оптоволоконного кабеля.

Свет распространяется по оптоволоконному кабелю по
многократно отскакивая от стен. Каждый крошечный фотон (частица света)
прыгает по трубе, как бобслей, спускающийся по ледяной трассе. Теперь ваша очередь
может ожидать луч света,
путешествовать по прозрачной стеклянной трубе, чтобы просто просочиться через края.Но
если свет падает на стекло под очень малым углом (менее 42 градусов), он
снова отражается внутрь — как будто стекло на самом деле зеркало. Эта
явление называется полным внутренним отражением.
Это одна из вещей, которая сохраняет свет внутри трубы.

Еще одна вещь, которая удерживает свет в трубе, — это структура
кабель, который состоит из двух отдельных частей. Основная часть
кабель — в середине — называется ядром , и это бит
свет проходит сквозь.Снаружи ядра обернут еще один
слой стекла называется облицовкой . Работа облицовки — сохранить
световые сигналы внутри активной зоны. Он может это сделать, потому что он сделан из
различный вид стекла в сердцевине. (Технически облицовка
имеет более низкий показатель преломления.)

Типы волоконно-оптических кабелей

Оптические волокна передают по ним световые сигналы в так называемых режимах .
Звучит технически, но это просто означает разные способы путешествовать:
мода — это просто путь, по которому световой луч следует вниз по волокну.Один режим
чтобы пройти прямо по середине волокна. Другой —
отразите волокно под небольшим углом. Другие режимы включают подпрыгивание
вниз по волокну под другими углами, более или менее крутыми.

Иллюстрации: Вверху: свет распространяется по-разному в одномодовых и многомодовых волокнах. Внизу: внутри типичного одномодового оптоволоконного кабеля (не в масштабе). Тонкая сердцевина окружена оболочкой примерно в десять раз большего диаметра, пластиковым внешним покрытием (примерно в два раза больше диаметра оболочки), некоторыми укрепляющими волокнами из жесткого материала, такого как кевлар®, с внешней защитной оболочкой снаружи.

Простейшее оптическое волокно называется одномодовым .
Он имеет очень тонкую сердцевину размером около 5-10 микрон (миллионные доли
метр) в диаметре. В одномодовом волокне все сигналы проходят
прямо посередине, не отскакивая от краев (желтая линия в
диаграмму). Кабельное ТВ,
Интернет и телефонные сигналы обычно передаются по одномодовым
волокна, собранные вместе в огромный пучок. Такие кабели могут отправлять
информация более 100 км (60 миль).

Другой тип оптоволоконного кабеля
называется многорежимный .Каждое оптическое волокно в
многомодовый кабель о
10 раз
больше одного в одномодовом кабеле.
Это означает, что световые лучи могут проходить через ядро, следуя
Разновидность
разные пути (желтые, оранжевые, синие и голубые линии) — другими словами, в
несколько разных режимов.
Многорежимные кабели могут отправлять только информацию
на относительно короткие расстояния и используются (среди прочего) для
соединить компьютерные сети вместе.

Еще более толстые волокна используются в медицинском инструменте, называемом гастроскопом
(разновидность эндоскопа),
врачи протыкают кому-то горло, чтобы обнаружить внутри него болезни
их желудок.Гастроскоп — это толстый оптоволоконный кабель, состоящий из
многих оптических волокон. На верхнем конце гастроскопа есть
окуляр и
фонарь. Лампа направляет свой свет на одну часть кабеля в
живот пациента. Когда свет достигает желудка, он отражается
стенки желудка в линзу
внизу кабеля. Затем он возвращается в другую часть
кабель в окуляр врача. Остальные типы эндоскопов работают так же
способ и может использоваться для осмотра различных частей тела.Также есть
промышленный вариант инструмента, называемый фиброскопом, который можно использовать
исследовать такие вещи, как недоступные части оборудования в самолете
двигатели.

Используется для волоконной оптики

Стрельба по трубе кажется изящной научной
партийный трюк, и вы можете не подумать, что у
что-то подобное. Но так же, как электричество может привести в действие многие
типы машин, лучи света могут нести многие типы
информация, поэтому они могут помочь нам во многих отношениях.Мы просто не замечаем
насколько обычными стали оптоволоконные кабели, потому что
лазерные сигналы, которые они несут, мерцают далеко под нашими ногами, глубоко
под офисные этажи и улицы города. Технологии, использующие
это — компьютерные сети, радиовещание, медицинское сканирование и
военная техника (назвать всего четыре) — причем незаметно.

Фото: Работа над волоконно-оптическими кабелями. Изображение Натанаэля Каллона, любезно предоставлено
ВВС США.

Компьютерные сети

Волоконно-оптические кабели в настоящее время являются основным средством передачи информации на большие расстояния, поскольку
у них есть три очень больших преимущества перед медными кабелями старого образца:

  • Меньшее затухание : (потеря сигнала) Информация проходит примерно в 10 раз дальше, прежде чем ей потребуется усиление, что делает оптоволоконные сети более простыми и дешевыми в эксплуатации и обслуживании.
  • Нет помех : В отличие от медных кабелей, между оптическими волокнами нет «перекрестных помех» (электромагнитных помех), поэтому они передают информацию более надежно и с лучшим качеством сигнала.
  • Более высокая пропускная способность : Как мы уже видели, оптоволоконные кабели могут передавать гораздо больше данных, чем медные кабели того же диаметра.

Вы сейчас читаете эти слова благодаря
Интернет. Вы наверняка наткнулись на эту страницу с поисковой системой
как Google, который управляет всемирной сетью гигантских центров обработки данных
соединены оптоволоконными кабелями большой емкости (и сейчас пытается
развернуть быстрые оптоволоконные соединения для всех остальных).Нажав на
ссылку на поисковую систему, вы загрузили эту веб-страницу из моей сети
сервер и мои слова почти всю дорогу до вас дошли
волоконно-оптические кабели. Действительно, если вы используете быстрый оптоволоконный
широкополосные, оптоволоконные кабели делают почти всю работу каждый
раз вы выходите в интернет. При большинстве высокоскоростных широкополосных подключений только
последний этап информационного пути (так называемый «последний
миля «от оптоволоконного шкафа на улице до дома
или квартира) подразумевает старые провода.Это оптоволоконные кабели,
не медные провода, которые теперь несут «лайки» и «твиты» под
наши улицы, через все большее количество сельских районов, и даже
глубоко под океанами, соединяющими континенты. Если вы представите себе
Интернет (и Всемирная паутина, которая использует его) как глобальная
паутина, скрепляющие ее нити — оптоволоконные кабели;
по некоторым оценкам, оптоволоконные кабели покрывают
более 99 процентов от общего пробега Интернета,
и переносят более 99 процентов всего международного коммуникационного трафика.

Чем быстрее люди получают доступ в Интернет, тем
больше они могут — и будут — делать в сети. Прибытие из
широкополосный Интернет сделал возможным явление облачных вычислений
(где люди хранят и обрабатывают свои данные удаленно, используя онлайн
вместо домашнего или рабочего ПК в собственном помещении). В
примерно так же стабильное развертывание широкополосного оптоволокна (обычно
В 5–10 раз быстрее, чем обычный широкополосный DSL, который использует
обычные телефонные линии) сделает его более привычным для
люди занимаются такими вещами, как потоковая передача фильмов в Интернете вместо просмотра
телетрансляция или прокат DVD.С большей емкостью волокна и быстрее
связи, мы будем отслеживать и контролировать многие другие аспекты
наша жизнь в сети с использованием так называемого Интернета вещей.

Но не только общедоступные интернет-данные
течет по волоконно-оптическим линиям. Когда-то компьютеры были подключены к
на большие расстояния по телефонным линиям или (на короткие расстояния) по меди
Кабели Ethernet, но все чаще предпочтительнее оптоволоконные кабели
метод объединения компьютеров в сеть, потому что они очень доступны, безопасны,
надежны и имеют гораздо большую вместимость.Вместо того, чтобы связывать
офисов через общедоступный Интернет, это вполне возможно для
компания для создания собственной оптоволоконной сети (если она может себе это позволить)
или (что более вероятно) купить место в частной оптоволоконной сети. Многие частные
компьютерные сети работают на так называемом темном волокне , которое
звучит немного зловеще, но это просто неиспользованная емкость другого
сеть (оптические волокна ждут включения).

Интернет был продуман так, чтобы
вид информации для любого использования; это не ограничивается ношением
компьютерные данные.Когда-то по телефонным линиям выходил Интернет, теперь же
вместо этого через оптоволоконный Интернет можно звонить по телефону (и Skype).
Там, где телефонные звонки когда-то направлялись по сложной мозаике
медные кабели и микроволновые линии между городами, самые дальние
теперь звонки направляются по оптоволоконным линиям. С 1980-х гг. Было уложено огромное количество волокна; оценки сильно различаются, но считается, что общая мировая длина составляет несколько сотен миллионов километров (достаточно, чтобы пересечь Соединенные Штаты примерно миллион раз).В середине 2000-х годов было подсчитано, что до 98 процентов этого количества было неиспользованным «темным волокном»; Сегодня, несмотря на то, что используется гораздо больше волокон, все еще считается, что большинство сетей содержат от одной трети до половины темного волокна.

Фото: Строительство оптоволоконных сетей обходится дорого (в основном потому, что рытье улиц стоит очень дорого). Поскольку затраты на рабочую силу и строительство намного дороже, чем сам кабель, многие сетевые операторы сознательно прокладывают намного больше кабеля, чем им нужно в настоящее время.Изображение Криса Уиллиса любезно предоставлено ВВС США.

Радиовещание

Еще в начале 20 века радио и
Телевещание родилось из относительно простой идеи: это было
технически довольно легко снимать электромагнитные волны через воздух
от одного передатчика (на радиостанции) до тысяч антенн в домах людей. В наши дни, когда радио все еще работает в воздухе, мы с такой же вероятностью
ТВ через оптоволоконный кабель.

компании кабельного телевидения первыми перешли от
с 1950-х гг. первоначально использовались коаксиальные кабели (медные кабели с металлической оболочкой, обернутой вокруг них для предотвращения перекрестных помех), по которым передавалось лишь небольшое количество аналоговых телевизионных сигналов.По мере того, как все больше и больше людей подключались к кабелю, и сети начали предлагать
больший выбор каналов и программ, кабельные операторы сочли
необходимо перейти с коаксиальных кабелей на оптоволокно и с
аналогово-цифровое вещание. К счастью, ученые
уже выясняли, как это могло быть возможно; еще в 1966 году,
Чарльз Као (и его коллега Джордж Хокхэм) посчитали, доказав, как одиночный оптоволоконный кабель может
несут достаточно данных для нескольких сотен телеканалов (или нескольких сотен
тысяч телефонных звонков).Это был лишь вопрос времени, когда
мир кабельного телевидения обратил на это внимание — и «новаторское достижение» Као было должным образом признано
когда ему была присуждена Нобелевская премия по физике 2009 года.

Помимо гораздо большей емкости, оптический
волокна меньше страдают от помех, поэтому обеспечивают лучший сигнал (рисунок
и звук) качество; им нужно меньше усиления для усиления сигналов, поэтому
они путешествуют на большие расстояния; и они вообще дороже
эффективный. В будущем оптоволоконный широкополосный доступ может стать
большинство из нас смотрит телевизор, возможно, через
такие системы, как IPTV (телевидение по Интернет-протоколу), которые используют
Стандартный способ передачи данных в Интернете («коммутация пакетов») в
обслуживать телепрограммы и фильмы по запросу.Пока медный телефон
линия по-прежнему является основным информационным маршрутом в дома многих людей,
в будущем нашим основным соединением с миром станет высокоскоростной оптоволоконный кабель.
кабель, несущий любую информацию.

Медицина

Медицинские гаджеты, которые могут помочь врачам сориентироваться
внутри наших тел, не разрезая их, были первыми собственными
применение волоконной оптики более полувека назад. Сегодня,
гастроскопы (так их называют) так же важны, как и
никогда, но волоконная оптика продолжает порождать важные новые формы
медицинское сканирование и диагностика.

Одной из последних разработок называется лаборатория на
волокно
, и включает в себя вставку тонких волоконно-оптических кабелей с
встроенные датчики в тело пациента. Эти виды волокон
аналогичны по масштабу кабелям связи и тоньше
относительно короткие световоды, используемые в гастроскопах. Как они
Работа? Через них проходит свет от лампы или лазера, через деталь
тела, который доктор хочет изучить. Когда свет свистит
волокна, тело пациента меняет свои свойства в определенных
способ (очень незначительное изменение интенсивности или длины волны света,
возможно).Измеряя изменение света (используя методы
например, интерферометрия),
инструмент, прикрепленный к другому концу
волокно может измерить некоторые важные аспекты того, как тело пациента
работает, например, их температура, артериальное давление, pH клеток,
или наличие лекарств в их кровотоке. Другими словами,
вместо того, чтобы просто использовать свет, чтобы заглянуть внутрь тела пациента, это
Тип волоконно-оптического кабеля вместо этого использует свет для его измерения или измерения.

Военный

Фото: Волоконная оптика на поле боя.У этой усовершенствованной оптоволоконной управляемой ракеты (EFOG-M) в носу установлена ​​инфракрасная оптоволоконная камера, чтобы стрелок, стреляющий по ней, мог видеть, куда она движется. Изображение любезно предоставлено
Армия Соединенных Штатов.

Легко представить пользователей Интернета, связанных
вместе гигантскими паутинами оптоволоконных кабелей; это гораздо менее очевидно
что высокотехнологичные вооруженные силы мира связаны таким же образом.
Волоконно-оптические кабели недорогие, тонкие, легкие, емкие,
устойчивы к атакам и чрезвычайно безопасны, поэтому предлагают идеальные
способы подключения военных баз и других объектов, таких как
ракетные стартовые площадки и радиолокационные станции.Поскольку они не
переносят электрические сигналы, они не излучают электромагнитные
излучение, которое может обнаружить противник, и они устойчивы к
электромагнитные помехи (в том числе систематическое «глушение» противника
атаки). Еще одно преимущество — относительно легкий вес волокна.
кабели по сравнению с традиционными проводами из громоздких и дорогих
медь металлическая. Танки, военные самолеты и
вертолеты есть все
постепенно переходят с металлических кабелей на оптоволоконные. Частично
это вопрос снижения затрат и экономии веса (оптоволоконные кабели весят около 90
процентов меньше, чем у сопоставимых медных кабелей типа «витая пара»).Но
это также повышает надежность; например, в отличие от традиционных кабелей
на самолете, которые должны быть тщательно экранированы (изолированы) для защиты
их от ударов молнии, оптические волокна полностью невосприимчивы
к такой проблеме.

Кто изобрел волоконную оптику?

  • 1840-е годы: швейцарский физик Даниэль Колладон
    (1802–1893) обнаружил, что может светить через водопроводную трубу. Вода несла свет
    внутреннее отражение.
  • 1870: Ирландский физик Джон Тиндалл
    (1820–1893) продемонстрировал внутреннюю рефлексию в Лондонском Королевском обществе.Он посветил в
    кувшин с водой. Когда он налил немного воды из кувшина,
    свет изогнулся по пути воды. Эта идея «изгиба»
    свет «именно то, что происходит в волоконной оптике. Хотя Colladon
    Истинный дедушка волоконной оптики, Тиндаль часто заслуживает уважения.
  • 1930-е годы: Heinrich Lamm и Walter Gerlach , два
    Немецкие студенты пытались использовать световые трубки для изготовления гастроскопа —
    инструмент для заглядывания в чей-то желудок.
  • 1950-е: в Лондоне, Англия, индийский физик.
    Нариндер Капани (1926–) и британский физик
    Гарольд Хопкинс (1918–1994)
    удалось отправить простую картинку по световой трубе, сделанной из тысяч стеклянных волокон.
    После публикации множества научных работ Капани заработал репутацию
    «отец волоконной оптики».
  • 1957: Трое американских ученых из Мичиганского университета, Лоуренс Кертисс , Бэзил Хиршовиц и Уилбур Питерс, успешно использовали волоконно-оптическую технологию для создания первого в мире гастроскопа.
  • 1960-е годы: американский физик китайского происхождения Чарльз Као (1933–2018) и его коллега Джордж Хокхэм осознали, что нечистое стекло бесполезно для волоконной оптики дальнего действия. Као предположил, что оптоволоконный кабель, сделанный из очень чистого стекла, сможет передавать телефонные сигналы на гораздо большие расстояния, и был удостоен награды
    Нобелевская премия по физике 2009 г. за это новаторское открытие.
  • 1960-е годы: исследователи Corning Glass Company создали первый оптоволоконный кабель, способный передавать
    телефонные сигналы.
  • ~ 1970: Дональд Кек и его коллеги из Corning нашли способы посылать сигналы гораздо дальше (с меньшими потерями), что побудило
    разработка первых оптических волокон с низкими потерями.
  • 1977: Первый оптоволоконный телефонный кабель был проложен между Лонг-Бич и Артезией, Калифорния.
  • 1988: Первый трансатлантический оптоволоконный телефонный кабель TAT8 был проложен между США, Францией и Великобританией.
  • 2019: По данным TeleGeography, в настоящее время существует около 378 подводных волоконно-оптических кабелей.
    (несущие коммуникации под мировым океаном), протяженностью в общей сложности
    1.2 миллиона км (0,7 миллиона миль).

.

Что такое оптическое волокно? -Определение и типы оптического волокна

    • БЕСПЛАТНАЯ ЗАПИСЬ КЛАСС
    • КОНКУРСНЫЕ ЭКЗАМЕНА
      • BNAT
      • Классы
        • Класс 1-3
        • Класс 4-5
        • Класс 6-10
        • Класс 110003 CBSE
          • Книги NCERT
            • Книги NCERT для класса 5
            • Книги NCERT, класс 6
            • Книги NCERT для класса 7
            • Книги NCERT для класса 8
            • Книги NCERT для класса 9
            • Книги NCERT для класса 10
            • NCERT Книги для класса 11
            • NCERT Книги для класса 12
          • NCERT Exemplar
            • NCERT Exemplar Class 8
            • NCERT Exemplar Class 9
            • NCERT Exemplar Class 10
            • NCERT Exemplar Class 11
            • 9plar

            • RS Aggarwal
              • RS Aggarwal Решения класса 12
              • RS Aggarwal Class 11 Solutions
              • RS Aggarwal Решения класса 10
              • Решения RS Aggarwal класса 9
              • Решения RS Aggarwal класса 8
              • Решения RS Aggarwal класса 7
              • Решения RS Aggarwal класса 6
            • RD Sharma
              • RD Sharma Class 6 Решения
              • RD Sharma Class 7 Решения
              • Решения RD Sharma класса 8
              • Решения RD Sharma класса 9
              • Решения RD Sharma класса 10
              • Решения RD Sharma класса 11
              • Решения RD Sharma Class 12
            • PHYSICS
              • Механика
              • Оптика
              • Термодинамика
              • Электромагнетизм
            • ХИМИЯ
              • Органическая химия
              • Неорганическая химия
              • Периодическая таблица
            • MATHS
              • Статистика
              • 9000 Pro Числа
              • Числа
              • 9000 Pro Числа Тр Игонометрические функции
              • Взаимосвязи и функции
              • Последовательности и серии
              • Таблицы умножения
              • Детерминанты и матрицы
              • Прибыль и убытки
              • Полиномиальные уравнения
              • Деление фракций
            • Microology
                0003000
            • FORMULAS
              • Математические формулы
              • Алгебраные формулы
              • Тригонометрические формулы
              • Геометрические формулы
            • КАЛЬКУЛЯТОРЫ
              • Математические калькуляторы
              • 0003000

              • 000 CALCULATORS
              • 000
              • 000 Калькуляторы по химии Образцы документов для класса 6
              • Образцы документов CBSE для класса 7
              • Образцы документов CBSE для класса 8
              • Образцы документов CBSE для класса 9
              • Образцы документов CBSE для класса 10
              • Образцы документов CBSE для класса 1 1
              • Образцы документов CBSE для класса 12
            • Вопросники предыдущего года CBSE
              • Вопросники предыдущего года CBSE, класс 10
              • Вопросники предыдущего года CBSE, класс 12
            • HC Verma Solutions
              • HC Verma Solutions Класс 11 Физика
              • HC Verma Solutions Класс 12 Физика
            • Решения Лакмира Сингха
              • Решения Лахмира Сингха класса 9
              • Решения Лахмира Сингха класса 10
              • Решения Лакмира Сингха класса 8
            • 9000 Класс

            9000BSE 9000 Примечания3 2 6 Примечания CBSE

          • Примечания CBSE класса 7
          • Примечания

          • Примечания CBSE класса 8
          • Примечания CBSE класса 9
          • Примечания CBSE класса 10
          • Примечания CBSE класса 11
          • Класс 12 Примечания CBSE
        • Примечания к редакции 9000 CBSE 9000 Примечания к редакции класса 9
        • CBSE Примечания к редакции класса 10
        • CBSE Примечания к редакции класса 11
        • Примечания к редакции класса 12 CBSE
      • Дополнительные вопросы CBSE
        • Дополнительные вопросы по математике класса 8 CBSE
        • Дополнительные вопросы по науке 8 класса CBSE
        • Дополнительные вопросы по математике класса 9 CBSE
        • Дополнительные вопросы по математике класса 9 CBSE Вопросы
        • CBSE Class 10 Дополнительные вопросы по математике
        • CBSE Class 10 Science Extra questions
      • CBSE Class
        • Class 3
        • Class 4
        • Class 5
        • Class 6
        • Class 7
        • Class 8 Класс 9
        • Класс 10
        • Класс 11
        • Класс 12
      • Учебные решения
    • Решения NCERT
      • Решения NCERT для класса 11
        • Решения NCERT для класса 11 по физике
        • Решения NCERT для класса 11 Химия
        • Решения NCERT для биологии класса 11
        • Решение NCERT s Для класса 11 по математике
        • NCERT Solutions Class 11 Accountancy
        • NCERT Solutions Class 11 Business Studies
        • NCERT Solutions Class 11 Economics
        • NCERT Solutions Class 11 Statistics
        • NCERT Solutions Class 11 Commerce
      • NCERT Solutions for Class 12
        • Решения NCERT для физики класса 12
        • Решения NCERT для химии класса 12
        • Решения NCERT для биологии класса 12
        • Решения NCERT для математики класса 12
        • Решения NCERT, класс 12, бухгалтерский учет
        • Решения NCERT, класс 12, бизнес-исследования
        • NCERT Solutions Class 12 Economics
        • NCERT Solutions Class 12 Accountancy Part 1
        • NCERT Solutions Class 12 Accountancy Part 2
        • NCERT Solutions Class 12 Micro-Economics
        • NCERT Solutions Class 12 Commerce
        • NCERT Solutions Class 12 Macro-Economics
      • NCERT Solut Ионы Для класса 4
        • Решения NCERT для математики класса 4
        • Решения NCERT для класса 4 EVS
      • Решения NCERT для класса 5
        • Решения NCERT для математики класса 5
        • Решения NCERT для класса 5 EVS
      • Решения NCERT для класса 6
        • Решения NCERT для математики класса 6
        • Решения NCERT для науки класса 6
        • Решения NCERT для класса 6 по социальным наукам
        • Решения NCERT для класса 6 Английский язык
      • Решения NCERT для класса 7
        • Решения NCERT для математики класса 7
        • Решения NCERT для науки класса 7
        • Решения NCERT для социальных наук класса 7
        • Решения NCERT для класса 7 Английский язык
      • Решения NCERT для класса 8
        • Решения NCERT для математики класса 8
        • Решения NCERT для науки 8 класса
        • Решения NCERT для социальных наук 8 класса ce
        • Решения NCERT для класса 8 Английский
      • Решения NCERT для класса 9
        • Решения NCERT для класса 9 по социальным наукам
      • Решения NCERT для математики класса 9
        • Решения NCERT для математики класса 9 Глава 1
        • Решения NCERT для математики класса 9, глава 2
        • Решения NCERT

        • для математики класса 9, глава 3
        • Решения NCERT для математики класса 9, глава 4
        • Решения NCERT для математики класса 9, глава 5
        • Решения NCERT

        • для математики класса 9, глава 6
        • Решения NCERT для математики класса 9 Глава 7
        • Решения NCERT

        • для математики класса 9 Глава 8
        • Решения NCERT для математики класса 9 Глава 9
        • Решения NCERT для математики класса 9 Глава 10
        • Решения NCERT

        • для математики класса 9 Глава 11
        • Решения

        • NCERT для математики класса 9 Глава 12
        • Решения NCERT

        • для математики класса 9 Глава 13
        • NCER Решения T для математики класса 9 Глава 14
        • Решения NCERT для математики класса 9 Глава 15
      • Решения NCERT для науки класса 9
        • Решения NCERT для науки класса 9 Глава 1
        • Решения NCERT для науки класса 9 Глава 2
        • Решения NCERT для науки класса 9 Глава 3
        • Решения NCERT для науки класса 9 Глава 4
        • Решения NCERT для науки класса 9 Глава 5
        • Решения NCERT для науки класса 9 Глава 6
        • Решения NCERT для науки класса 9 Глава 7
        • Решения NCERT для науки класса 9 Глава 8
        • Решения NCERT для науки класса 9 Глава 9
        • Решения NCERT для науки класса 9 Глава 10
        • Решения NCERT для науки класса 9 Глава 12
        • Решения NCERT для науки класса 9 Глава 11
        • Решения NCERT для науки класса 9 Глава 13
        • Решения NCERT

        • для науки класса 9 Глава 14
        • Решения NCERT для класса 9 по науке Глава 15
      • Решения NCERT для класса 10
        • Решения NCERT для класса 10 по социальным наукам
      • Решения NCERT для математики класса 10
        • Решения NCERT для класса 10 по математике Глава 1
        • Решения NCERT для математики класса 10, глава 2
        • Решения NCERT для математики класса 10, глава 3
        • Решения NCERT для математики класса 10, глава 4
        • Решения NCERT для математики класса 10, глава 5
        • Решения NCERT для математики класса 10, глава 6
        • Решения NCERT для математики класса 10, глава 7
        • Решения NCERT для математики класса 10, глава 8
        • Решения NCERT для математики класса 10, глава 9
        • Решения NCERT для математики класса 10, глава 10
        • Решения NCERT для математики класса 10 Глава 11
        • Решения NCERT для математики класса 10 Глава 12
        • Решения NCERT для математики класса 10 Глава ter 13
        • Решения NCERT для математики класса 10 Глава 14
        • Решения NCERT для математики класса 10 Глава 15
      • Решения NCERT для науки класса 10
        • Решения NCERT для класса 10 науки Глава 1
        • Решения NCERT для класса 10 Наука, глава 2
        • Решения NCERT для класса 10, глава 3
        • Решения NCERT для класса 10, глава 4
        • Решения NCERT для класса 10, глава 5
        • Решения NCERT для класса 10, глава 6
        • Решения NCERT для класса 10 Наука, глава 7
        • Решения NCERT для класса 10, глава 8,
        • Решения NCERT для класса 10, глава 9
        • Решения NCERT для класса 10, глава 10
        • Решения NCERT для класса 10, глава 11
        • Решения NCERT для класса 10 Наука Глава 12
        • Решения NCERT для класса 10 Наука Глава 13
        • NCERT S Решения для класса 10 по науке Глава 14
        • Решения NCERT для класса 10 по науке Глава 15
        • Решения NCERT для класса 10 по науке Глава 16
      • Программа NCERT
      • NCERT
    • Commerce
      • Class 11 Commerce Syllabus
        • Учебный план класса 11
        • Учебный план класса 11
        • Учебный план экономического факультета 11
      • Учебный план по коммерции класса 12
        • Учебный план класса 12
        • Учебный план класса 12
        • Учебный план
        • Класс 12 Образцы документов для торговли
          • Образцы документов для предприятий класса 11
          • Образцы документов для коммерческих предприятий класса 12
        • TS Grewal Solutions
          • TS Grewal Solutions Class 12 Accountancy
          • TS Grewal Solutions Class 11 Accountancy
        • Отчет о движении денежных средств 9 0004
        • Что такое предпринимательство
        • Защита потребителей
        • Что такое основные средства
        • Что такое баланс
        • Что такое фискальный дефицит
        • Что такое акции
        • Разница между продажами и маркетингом

        9100003

      • Образцы документов ICSE
      • Вопросы ICSE
      • ML Aggarwal Solutions
        • ML Aggarwal Solutions Class 10 Maths
        • ML Aggarwal Solutions Class 9 Maths
        • ML Aggarwal Solutions Class 8 Maths
        • ML Aggarwal Solutions Class 7 Maths Решения Математика класса 6
      • Решения Селины
        • Решения Селины для класса 8
        • Решения Селины для класса 10
        • Решение Селины для класса 9
      • Решения Фрэнка
        • Решения Фрэнка для математики класса 10
        • Франк Решения для математики 9 класса

        9000 4

      • ICSE Class
        • ICSE Class 6
        • ICSE Class 7
        • ICSE Class 8
        • ICSE Class 9
        • ICSE Class 10
        • ISC Class 11
        • ISC Class 12
    • IC
      • 900 Экзамен IAS
      • Экзамен по государственной службе
      • Программа UPSC
      • Бесплатная подготовка к IAS
      • Текущие события
      • Список статей IAS
      • Пробный тест IAS 2019
        • Пробный тест IAS 2019 1
        • Пробный тест IAS4

        2

      • Комиссия по государственным услугам
        • Экзамен KPSC KAS
        • Экзамен UPPSC PCS
        • Экзамен MPSC
        • Экзамен RPSC RAS ​​
        • TNPSC Group 1
        • APPSC Group 1
        • Экзамен BPSC
        • Экзамен WPSC
        • Экзамен GPSC
      • Вопросник UPSC 2019
        • Ответный ключ UPSC 2019
      • 900 10 Коучинг IAS
        • Коучинг IAS Бангалор
        • Коучинг IAS Дели
        • Коучинг IAS Ченнаи
        • Коучинг IAS Хайдарабад
        • Коучинг IAS Мумбаи
    • JEE4
    • 9000 JEE 9000 JEE 9000 Advanced

    • Образец статьи JEE
    • Вопросник JEE
    • Биномиальная теорема
    • Статьи JEE
    • Квадратное уравнение
  • NEET
    • Программа BYJU NEET
    • NEET 2020
    • NEET Eligibility
    • NEET Eligibility
    • NEET Eligibility 2020 Подготовка
    • NEET Syllabus
    • Support
      • Разрешение жалоб
      • Служба поддержки
      • Центр поддержки
  • Государственные советы
    • GSEB
      • GSEB Syllabus
      • GSEB

        Образец статьи

        003 GSEB Books

    • MSBSHSE
      • MSBSHSE Syllabus
      • MSBSHSE Учебники
      • MSBSHSE Образцы статей
      • MSBSHSE Вопросники
    • AP Board
    • AP Board
    • 9000 AP Board
        9000 AP Board

          9000

        • AP 2 Year Syllabus
      • MP Board
        • MP Board Syllabus
        • MP Board Образцы документов
        • MP Board Учебники
      • Assam Board
        • Assam Board Syllabus
        • Assam Board
        • Assam Board
        • Assam Board Документы
      • BSEB
        • Bihar Board Syllabus
        • Bihar Board Учебники
        • Bihar Board Question Papers
        • Bihar Board Model Papers
      • BSE Odisha
        • Odisha Board
        • Odisha Board
          • Odisha Board 9000
          • ПСЕБ 9 0002

.

Оптоволокно — Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия

Пучок оптических волокон.

Оптическое волокно — это тонкое волокно из стекла или пластика, которое может переносить свет от одного конца к другому. Изучение оптических волокон называется волоконной оптики и является частью прикладной науки и техники.

Оптические волокна в основном используются в телекоммуникациях, но они также используются для освещения, датчиков, игрушек и специальных камер для наблюдения в небольших помещениях.Иногда их используют в медицине, чтобы заглянуть внутрь людей, например, в горло.

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

Направление света посредством внутреннего отражения — принцип, который делает возможной волоконную оптику, — был впервые продемонстрирован Даниэлем Колладоном и Жаком Бабине в Париже в начале 1840-х годов.Джон Тиндалл, физик, 12 лет спустя продемонстрировал это в своих публичных лекциях в Лондоне. [1]

Этот принцип был впервые использован для внутренних медицинских осмотров Генрихом Ламмом в 1930-х годах. Современные оптические волокна, в которых стекловолокно покрыто прозрачной оболочкой, чтобы обеспечить более подходящий показатель преломления, появились позже в этом десятилетии. [1]

В 1965 году Чарльз К. Као и Джордж А. Хокхэм из британской компании Standard Telephones and Cables (STC) первыми показали, что потери интенсивности в оптических волокнах могут быть уменьшены, делая волокна практичными. средство коммуникации. [2] Они предположили, что дефекты в волокнах, имевшиеся в то время, были вызваны примесями, которые можно было удалить. Они указали, какой материал следует использовать для таких волокон, например кварцевое стекло высокой чистоты. Это открытие принесло Као Нобелевскую премию по физике в 2009 году. [3]

Слои в одном виде оптического волокна.
1.- Сердечник 8 мкм
2.- Оболочка 125 мкм
3.- Буфер 250 мкм
4.- Оболочка 400 мкм

Оптическое волокно — это длинная тонкая нить из прозрачного материала.Его форма обычно похожа на цилиндр. По центру у него ядро ​​. Вокруг сердечника находится слой, называемый , покрытие . Сердцевина и оболочка изготовлены из разных видов стекла или пластика, поэтому свет распространяется по сердцевине медленнее, чем по оболочке. Если свет в сердцевине попадает на край оболочки под небольшим углом, он отражается. Свет может проникать внутрь сердцевины и отражаться от оболочки. Никакой свет не выходит, пока он не достигнет конца волокна, если только волокно не будет резко согнуто или растянуто.

Если поцарапать оболочку волокна, оно может сломаться. Пластиковое покрытие, называемое буфером , покрывает оболочку, чтобы защитить ее. Часто буферное волокно помещается внутрь еще более жесткого слоя, называемого рубашкой . Это позволяет легко использовать волокно, не ломая его.

Волоконно-оптическая связь [изменить | изменить источник]

Основное использование оптического волокна — это связь (телекоммуникации). Волоконно-оптическая связь передает информацию из одного места в другое, посылая световые импульсы по оптическому волокну.Свет образует электромагнитную несущую волну, которая модулируется для передачи информации. Впервые разработанные в 1970-х годах, волоконно-оптические системы связи произвели революцию в телекоммуникационной отрасли и помогли наступить в эпоху информации.

Ранние системы имели малый радиус действия, но в более поздних использовались более прозрачные волокна. Поскольку свет не выходит из волокна, он может пройти большое расстояние, прежде чем сигнал станет слишком слабым. Он используется для отправки телефонных и интернет-сигналов внутри городов и между ними.Благодаря своим преимуществам перед электрической передачей, оптические волокна в значительной степени вытеснили связь по медному кабелю в базовых сетях в развитых странах.

Большинство систем оптической связи имеют электрические соединения. Электрический сигнал управляет передатчиком. Передатчик преобразует электрический сигнал в световой и отправляет его по оптоволокну к приемнику. Приемник преобразует световой сигнал обратно в электрический сигнал.

Оптоволокно

также иногда используется для более коротких линий связи, например, для передачи звуковых сигналов между проигрывателем компакт-дисков и стереоресивером.Волокна, используемые для этих коротких звеньев, часто изготавливаются из менее прозрачного пластика. TOSLINK — наиболее распространенный тип оптических разъемов для стереосистем.

Другое применение [изменить | изменить источник]

В качестве датчиков можно использовать оптоволокно. Для этого используются специальные волокна, которые изменяют способ прохождения света, когда происходит изменение вокруг волокна. Подобные датчики можно использовать для обнаружения изменений температуры, давления и других факторов. Эти датчики полезны, потому что они маленькие и не нуждаются в электричестве в том месте, где происходит измерение.

Елка с обычным и оптоволоконным светом

Эти волокна также используются для передачи света, чтобы люди могли его видеть. Иногда это используется для украшения, например, оптоволоконных елок. Иногда его используют для освещения, когда удобно разместить лампочку в другом месте, а не там, где должен быть свет. Иногда это используется в знаках и искусстве для спецэффектов.

Внутренняя часть часов через фиброскоп.

Пучок волокон можно использовать для изготовления устройства, называемого эндоскопом или фиброскопом.Это длинный тонкий зонд, который можно вставить в небольшое отверстие, которое будет передавать изображение того, что находится внутри, через оптоволокно на камеру. Эндоскопы используются врачами, чтобы заглядывать внутрь человеческого тела, и иногда инженеры, чтобы заглядывать в узкие места в машинах.

Оптические волокна (с добавлением специальных химикатов) могут использоваться в качестве оптических усилителей. Это позволяет оптическому сигналу проходить дальше между конечными точками и без преобразования оптического сигнала в электрический и обратно, что снижает общую стоимость компонентов.Эти оптические усилители также можно использовать для создания лазеров. Они называются волоконными лазерами. Они могут быть очень мощными, потому что длинное тонкое волокно легко хранить в холодном состоянии и дает световой луч хорошего качества.

.

Как производятся оптические волокна? — Как работает волоконная оптика

Теперь, когда мы знаем, как работают оптоволоконные системы и почему они полезны — как они их создают? Оптические волокна изготовлены из особо чистого оптического стекла . Мы думаем о стеклянном окне как о прозрачном, но чем толще становится стекло, тем менее прозрачным оно становится из-за примесей в стекле. Однако стекло в оптическом волокне содержит гораздо меньше примесей, чем стекло оконного стекла. Одна компания описывает качество стекла следующим образом: если бы вы были на вершине океана, покрытого стекловолокном с твердой сердцевиной, вы могли бы четко видеть дно.

Для изготовления оптического волокна необходимо выполнить следующие шаги:

Объявление

  1. Изготовление преформы стеклянного цилиндра
  2. Вытягивание волокон из преформы
  3. Тестирование волокон

Изготовление заготовки преформы

Стекло для преформы производится с помощью процесса, называемого модифицированным химическим осаждением из паровой фазы (MCVD).

В MCVD кислород барботируется растворами хлорида кремния (SiCl4), хлорида германия (GeCl4) и / или других химикатов. Точная смесь определяет различные физические и оптические свойства (показатель преломления, коэффициент расширения, температуру плавления и т. Д.). Затем пары газа направляются внутрь трубы из синтетического диоксида кремния или из кварца (оболочка) в специальном токарном станке . Когда токарный станок вращается, резак перемещается вверх и вниз по внешней стороне трубы.Сильный жар от горелки вызывает две вещи:

  • Кремний и германий реагируют с кислородом, образуя диоксид кремния (SiO2) и диоксид германия (GeO2).
  • Диоксид кремния и диоксид германия осаждаются внутри трубки и сливаются вместе, образуя стекло.

Токарный станок непрерывно вращается для получения ровного покрытия и однородной заготовки. Чистота стекла поддерживается за счет использования коррозионно-стойкого пластика в системе подачи газа (клапанные блоки, трубы, уплотнения) и за счет точного контроля потока и состава смеси.Процесс изготовления заготовки преформы автоматизирован и занимает несколько часов. После охлаждения заготовки преформы ее проверяют на качество (показатель преломления).

Вытяжка волокон из заготовки преформы

После испытания заготовки преформы ее загружают в вытяжную колонну .

Заготовку опускают в графитовую печь (от 3452 до 3992 градусов по Фаренгейту или от 1900 до 2200 градусов по Цельсию), и наконечник оплавляется до тех пор, пока расплавленный шар не падает под действием силы тяжести.При падении охлаждается и образует нить.

Оператор продевает прядь через ряд стаканов для нанесения покрытий (буферных покрытий) и печей отверждения в ультрафиолетовом свете на управляемую трактором катушку. Механизм трактора медленно вытягивает волокно из нагретой заготовки преформы и точно контролируется с помощью лазерного микрометра для измерения диаметра волокна и передачи информации обратно в механизм трактора. Волокна вытягиваются из заготовки со скоростью от 33 до 66 футов / с (от 10 до 20 м / с), и готовый продукт наматывается на катушку.Катушки нередко содержат оптическое волокно длиной более 1,4 мили (2,2 км).

Тестирование готового оптического волокна

Готовое оптическое волокно испытывается на следующие характеристики:

  • Предел прочности на разрыв — Должен выдерживать 100000 фунтов / дюйм 2 или более
  • Профиль показателя преломления — Определить числовую апертуру, а также экран для оптических дефектов
  • Геометрия волокна — Диаметр сердцевины, размеры оболочки и диаметр покрытия равномерное
  • Затухание — Определите степень ухудшения световых сигналов с различной длиной волны на расстоянии
  • Пропускная способность информации (полоса пропускания) — Количество сигналов, которые могут передаваться одновременно (многомодовые волокна)
  • Хроматический дисперсия — распространение света различных длин волн через сердцевину (важно для ширины полосы)
  • Диапазон рабочих температур / влажности
  • Температурная зависимость затухания
  • Способность проводить свет под водой — Важно для подводных кабелей

После того, как волокна прошли контроль качества, они продаются телефонным компаниям, кабельным компаниям и поставщикам сетей.Многие компании в настоящее время заменяют свои старые системы на основе медных проводов новыми системами на основе оптоволокна, чтобы повысить скорость, емкость и четкость.

.

0 0 vote
Article Rating
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Inline Feedbacks
View all comments