Краткий экскурс в мир волоконной оптики. Оптические схемы волоконно-оптических приборов

Оптические волокна показывают пример того, как научные знания переходят в технологический прогресс, в конечном итоге облегчая жизнь обычного человека. С волоконной оптикой уже несколько лет связаны коммуникационные средства передачи электрических сигналов. Тонкие нити размером с человеческий волос могут использоваться для передачи широкого которые требуются для работы телефона, интернет-соединения, телевизора и т. д. Разумеется, благодаря высоким эксплуатационным возможностям волоконная оптика нашла применение не только в бытовых нуждах.

Технология передачи сигнала через оптоволокно

Само по себе использование оптоволокна в качестве транслятора сигналов - лишь часть раскрытого знания, которые исследуются в научном разделе волоконной оптики. Специалисты этого направления занимаются изучением передачи информации и распространения света, причем в одном контексте, объединенном световодами. Последние используются и в качестве распространителей света, и как передатчики информации. К слову, на светодиодах же основываются современные направления развития лазерных технологий. В данном же случае интереснее другой вопрос - какое явление заложено в основу волоконной оптики? Это электромагнитного излучения в границах раздела диэлектриков, имеющих различные показатели преломления. Причем носителем информации выступает вовсе не электромагнитный сигнал, а закодированный световой поток. Для понимания степени превосходства оптоволоконных кабелей перед традиционными металлическими стоит еще раз обратиться к их пропускной способности. Уже упомянутая волоконная нить, толщина которой составляет не более 0,5 мм, способна передавать объем информации, который обычная медная проводка обслужит только при толщине в 50 мм.

Методы изготовления оптоволокна

Существует два основных метода, по которым может изготавливаться оптическое волокно. Это техника экструзии и плавление с использованием преформ. Первая технология позволяет получать материал низкого качества на основе пластиков, поэтому сегодня ее практически не используют. Второй метод считается основным и наиболее эффективным. Преформа - это заготовка, находящаяся в конструкции, предназначенной для вытяжки нитей. По современным стандартам преформы могут иметь высоту до нескольких десятков метров. Внешне это стеклянный стержень диаметром порядка 10 см, из которого выплавляется сердцевина нити. В процессе изготовления стержень вместе со смесью для волокон нагревается до высоких температур, после чего происходит формование нитей. Длина получаемого материала может достигать нескольких километров, хотя диаметр при этом остается неизменным - его контролируют автоматизированные регуляторы. В зависимости от того, где будет применяться волоконная оптика, материал для нее предварительно может обрабатываться покрытиями, обеспечивающими химическую и физическую защиту. Что касается самих смесей для нитей, то в их состав обычно входят такие материалы, как полиимид, акрилат и силикон.

Конструкционные особенности оптоволокна

Центральную часть нити представляет ядро - та самая сердцевина волокна, которая и будет распространять свет в процессе эксплуатации. Ядро характеризуется повышенными показателями преломления света, что достигается при использовании легирования стекла с модификацией специальными добавками. Например, для кварцевых волокон используют типичные преломляющие компоненты наподобие допанта. В свою очередь, оболочка выполняет несколько задач, главной из которых является непосредственная физическая защита сердцевины. Данная часть также обеспечивает эффект преломления, но с минимальным коэффициентом. Граница между двумя материалами формирует световодную структуру, которая не позволяет основному объему света выходить за пределы ядра. Также стоит отметить, что основы волоконной оптики относят материал к разновидностям световодов. Если быть точнее, то речь идет о диэлектрических волноводах, передающих световые сигналы.

Разновидности оптических волокон

Наиболее распространены кварцевые, пластиковые и флюоридные волокна. Кварцевые нити основываются на расплавах оксида или похожих по структуре материалах, среди которых допированный оксид кремния. Данная основа позволяет изготавливать гибкие и длинные волокна, отличающиеся при этом и высокой механической прочностью. Пластико-волоконная оптика производится из полимеров и, как уже отмечалось, не может обеспечивать высокие эксплуатационные показатели. В частности, такие нити имеют большой процент потери данных, что ограничивает их применение в требовательных сферах. С другой стороны, ценовая доступность пластиковых волокон сохраняет спрос на этот материал в направлениях, ориентированных на бытовой сегмент. Что касается флюоридных оптических материалов, то их основа базируется на фторцирконатном и фторалюминатном стеклах. Это вполне современные и технологичные решения для обеспечения оптической коммуникации, но содержание тяжелых металлов в структуре тоже не позволяет их использовать, например, в медицинской отрасли.

Измерительное оборудование для оптоволокна

Самым распространенным оборудованием, которое используется в комплектах с оптическим волокном, являются датчики и брэгговские решетки. Оптоволоконные датчики - это устройства, предназначенные для фиксации некоторых значений, характеризующих состояние материала в данный момент. Например, разные датчики могут определять механическое напряжение, температуру, вибрации, давление и другие величины. Брэгговская решетка по своей функции более приближена именно к оптическим характеристикам. Она фиксирует в сердцевине оптоволокна апериодическое возмущение преломления. Данное измерение позволяет определять, насколько волоконная оптика эффективна при трансляции сигнала в конкретных условиях. Также специалисты применяют оптический рефлектометр, регистрирующий показатели рассеивания и сопротивления.

Оптоволоконные усилители и лазеры

Это наиболее прогрессивная продукция, которую разрабатывают на базе технологии волоконной оптики. В отличие от лазеров других типов, использование оптических нитей позволяет создавать компактные и в то же время эффективные аппараты. В частности, технология волоконной оптики позволила заменить классические лазерные приборы благодаря следующим преимуществам:

• Эффективность теплового отвода.
• Повышенные показатели выходного излучения.
• Эффективная накачка.
• Высокая надежность и стабильность работы лазера.
• Небольшая масса оборудования.

В свою очередь, усилители в зависимости от типа могут применяться и в домашних сетевых линиях, повышая рабочие показатели основной волоконной линии. Впрочем, сферы эксплуатации оптоволокна стоит рассмотреть подробнее.

Для чего используется волоконная оптика?

Можно выделить несколько направлений, в которых задействуются оптоволоконные материалы. Это сфера бытового применения, телекоммуникационное оборудование и компьютерная техника, а также узкоспециализированные ниши, среди которых отдельные направления медицины. Для каждого из этих сегментов производится специальная волоконная оптика. Применение в качестве типового средства передачи ТВ- или интернет-сигнала, к примеру, ограничивается дешевыми пластиковыми моделями среднего качества. Но для лазерного оборудования и дорогостоящих медицинских аппаратов используют высококачественные кварцевые волокна, обеспеченные также дополнительными модификаторами.

Применение оптоволокна в медицине

Такие волокна могут использоваться в медицинском оборудовании и инструментах. Стандартная технология предполагает возможность введения специального аппарата на преломляемых световых волокнах, которые уже в самом органе тела могут передавать сигнал на внешнюю телекамеру. Применяется волоконная оптика в медицине и как осветительный материал. Аппараты, снабженные волоконными модулями, позволяют безболезненно подсвечивать полости желудка, носоглотки и т.д.

Применение оптоволокна в компьютерном оборудовании

Пожалуй, это наиболее распространенная ниша, в которой нашло свое место оптоволокно. Без него сегодня уже не обходятся линии связи между отдельными устройствами, передающие информацию. Разумеется, это касается тех областей, в которых невозможно или нецелесообразно применение беспроводных соединений, которые также активно вытесняют кабели как таковые. Например, крупнейшие телекоммуникационные компании прокладывают межрегиональные магистральные сети, в которых задействуется волоконная оптика. Использование таких каналов для связи периферийного оборудования и обычных потребителей телекоммуникационных услуг позволяет оптимизировать финансовые расходы на обслуживание сетевой инфраструктуры, а также повышает эффективность самой передачи данных.

Недостатки оптоволокна

К сожалению, оптические нити не обходятся и без слабых мест. Хотя содержание такой проводки обходится дешевле, не говоря об отсутствии необходимости частого обновления, стоимость самого материала гораздо выше тех же металлических аналогов. Кроме того, волоконная оптика и ее использование в медицине крайне ограничено из-за содержания в отдельных сплавах свинцовых и циркониевых примесей, токсически опасных для человека. В основном это касается именно самых высококачественных стеклянных моделей, а не пластковых.

Производство оптоволокна в России

В рамках программы импортзамещения в 2015 г. в Мордовии был открыт завод «Оптико-волоконные системы». Это единственное предприятие в РФ, которое на данный момент по мере возможности старается восполнять нужды отечественных потребителей в оптоволокне. До 2015 г. российская промышленность также занималась изготовлением оптоволоконных материалов, но только в рамках отдельных целевых проектов. Эта же ситуация отчасти сохраняется и сегодня. Если определенной компании потребуется волоконная оптика и ее использование в медицине или в сфере телекоммуникационного обеспечения будет финансово оправдано, то есть немало заводов, готовых работать над подобными спецзаказами в индивидуальном порядке. Однако серийным выпуском тех же кабелей из оптоволокна в ближайшем будущем будет работать только мордовский завод. Более того, пока и он не в состоянии снабжать рынок в соответствии с объемами спроса. Значительная доля продукции по-прежнему закупается в США и Японии. И даже отечественные изделия производятся на импортном сырье.

Заключение

Оптоволоконная продукция формируется как сегмент рынка уже порядка 15-20 лет. За эти годы потребитель смог высоко оценить достоинства новых кабелей, однако прогресс не стоит на месте. По мере повышения технико-физических качеств расширяются и области применения материала. Новейшее оптоволокно на основе нанотехнологий, в частности, активно используют в нефтегазодобывающей промышленности и оборонном комплексе. В свою очередь, нелинейная волоконная оптика развивает пока только концептуальные, но весьма перспективные направления технологии. Среди них можно выделить компрессионные лазерные импульсы, оптические солитоны, ультракороткие оптические излучения и т.д. Очевидно, что кроме теоретических исследований с возможными открытиями и в рамках сугубо научного знания, новые разработки позволят и на рынке сделать новые предложения потребителям разного уровня.

Презентация к уроку «Полное внутреннее отражение»

учителя МАОУ лицея №14

Ермаковой Т.В.

2014 год

Волоконная оптика - это раздел оптики, в котором изучаются распространение света и передача информации по световодам.

Это одно из наиболее быстро развивающихся направлений современной лазерной физики.

• Принцип передачи света, используемый в волоконной оптике, был впервые продемонстрирован во времена королевы Виктории (1837-1901 гг.)

• Нариндер Капани (12.10.1926 г) - один из основоположников волоконной оптики

• Развитие современной волоконной технологии началось в 1966 году, когда двое японских ученых Као и Хокэма предложили использовать для передачи светового сигнала длинные стеклянные волокна.

• В 1970 году фирма «Корнинг Гласе» впервые разработала световод, пригодный для передачи светового сигнала.

• Оптическое волокно представляет собой диэлектрический волновод, изготовленный из кварцевого стекла
• Сердцевина – это область в центре волокна, показатель преломления которой больше, чем у оболочки, и в которой распространяется большая часть энергии светового сигнала.
• Оболочка – это область волокна вокруг сердцевины, которая чаще всего изготавливается с постоянным и всегда более низким, чем у сердцевины, показателем преломления. Граница двух областей с более высоким и низким показателями преломления создаёт световодную структуру, удерживающую большую часть света в зоне сердцевины.

• Распространение световых лучей в оптических волокнах

В основе волоконно-оптической связи лежит явление полного внутреннего отражения электромагнитных волн на границе раздела диэлектриков с разными показателями преломления

Световод представляет собой стеклянное волокно цилиндрической формы, покрытое оболочкой из прозрачного материала с меньшим, чем у волокна, показателем преломления. За счет многократного полного отражения свет может быть направлен по любому (прямому или изогнутому) пути. Волокна набираются в жгуты. При этом по каждому из волокон передается какой-нибудь элемент изображения

Распространение луча света в волноводе

Для передачи сигналов применяются два вида волокна: одномодовое SMF и многомодовое MMF.

Первые оптические волокна были многомодовыми, т.е. по ним могло проходить несколько световых волн одновременно.

Одномодовое волокно новейшей технологии имеет настолько малый диаметр сердцевины, что позволяет спрямить путь отдельного луча и намного снизить потери интенсивности сигнала

По одному волокну можно передать одновременно

10 миллионов телефонных разговоров и миллион видеосигналов. Скорость передачи данных может быть увеличена за счет передачи информации сразу в двух направлениях, так как световые волны могут распространяться в одном волокне независимо друг от друга. Кроме того, в оптическом волокне могут распространяться световые сигналы двух разных поляризаций, что позволяет удвоить пропускную способность оптического канала связи.

Методы волоконной оптики используются:

• в медицинских приборах (освещение носоглотки, желудка и т. д.) ;
• в скоростной киносъемке;
• в ядерной физике (регистрация треков ядерных частиц);
• в оптической связи;
• в фототелеграфии и телеметрии (преобразователи кода и шифровальные устройства);
• в вычислительной технике, акустике и т. д.

Одним из важных устройств, в котором применяется волоконная оптика, является волоконно-оптический телефон, используемый для двухсторонней связи.

• Волоконно-оптический канал имеет намного более широкую полосу пропускания, чем металлический кабель. То есть он может нести больше данных.
• Оптико-волоконный кабель менее чувствителен к помехам, чем металлический, и намного тоньше и легче, чем металлический.
• Данные могут передаваться в цифровом виде, а не в аналоговом.
• Важное свойство оптического волокна – долговечность.

• Основной недостаток волоконной оптики в том, что волоконно-оптический кабель является самым дорогим из всех типов кабеля.
• Волоконно-оптический кабель очень хрупкий, поэтому монтаж его очень затруднителен.

Оптоволокно в природе

Исследователи недавно обнаружили в теле глубоководных губок рода Euplectellas высококачественное оптоволокно.

Заключение

Волоконно-оптические системы связи обеспечивают максимальную скорость передачи информации.

Они включают в себя последние достижения оптики, электроники, материаловедения и технологий.

Тенденции развития :

Увеличение информационной емкости линий связи

Увеличение скорости обработки информации

Уменьшение потерь и искажений оптических сигналов

• Агравал Г. Волоконная оптика.- М.: Мир, 2010.
• Гроднев И. И. Оптоэлектронные системы передачи информации. – М.: Знание, 2012
• Ремизов А.Н. Физика: учебник. -М.: Дрофа, 2011

Оптические схемы волоконно-оптических приборов

Оптические схемы волоконно-оптического лазера и усилителя

Лазер

На рис.1 показана простейшая схема волоконно-оптического лазера. Буквами обозначены: А - активное волокно, Д - диод накачки, М1 и М2 - зеркала. Как и в случае обычных лазеров, здесь мы имеем резонатор с активной средой, образованный активным волокном и зеркалами. Зеркала обеспечивают обратную связь. Одно из зеркал может иметь 100%-ное отражение. Тогда излучение будет выходить только из противоположного конца резонатора. Диодов накачки может быть несколько, а располагаться они могут с разных сторон резонатора.

Усилитель

На рис.2 показана простейшая схема волоконно-оптического усилителя. Она схожа со схемой лазера за тем лишь исключением, что зеркала заменены изоляторами для подавления обратной связи. Изоляторы пропускают свет только в одном направлении.

Устройство волоконно-оптических компонентов

Зеркала и фильтры

Wikimedia Foundation . 2010 .

• Стен
• Международный фестиваль молодёжи и студентов

Смотреть что такое "Волоконная оптика" в других словарях:

волоконная оптика - Раздел оптики, в котором рассматривают направленную передачу излучения и связанную с ним информацию по волоконным световодам. [ГОСТ 25462 82] волоконная оптика Технология передачи сигналов в форме световых импульсов. Оптико волоконный кабель… … Справочник технического переводчика

Волоконная оптика - Волоконная оптика. Поэлементная передача изображения волоконной деталью: 1 изображение на входе; 2 светопроводящая жила; 3 изолирующая прослойка; 4 мозаичное изображение на выходе. ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА, раздел оптики, в котором изучается… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА - раздел оптики, в к ром рассматривается передача света и изображения по световодам и волноводам оптич. диапазона, в частности по многожильным световодам и пучкам гибких волокон. В. о. возникла в 50 х гг. 20 в. В волоконно оптич. деталях световые… … Физическая энциклопедия

ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА - ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА, раздел оптики, в котором изучается распространение света и изображения по световодам, в частности по многожильным световодам и пучкам гибких волокон. Возникла в 50 х годах 20 в. Так как волоконные световоды слабо поглощают… … Современная энциклопедия

ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА - раздел оптики, в котором изучаются распространение света и передача информации по световодам. Методы волоконной оптики используются в оптической связи, в медицинских приборах (освещение носоглотки, желудка и т. д.), в скоростной киносъемке, в… … Большой Энциклопедический словарь

ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА - ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА, отрасль оптики, занимающаяся передачей данных и изображений с помощью тонких оптических стекловолокон, способных пропускать внутри себя свет … Научно-технический энциклопедический словарь

ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА - раздел оптики, в котором рассматривается практическая передача (см.), (см.) и др. информации по светопроводам (световодом) и (см.) оптического диапазона … Большая политехническая энциклопедия

ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА - технология передачи света по тонким нитям из прозрачных материалов. Этот свет используется для передачи электронных сигналов на большие расстояния. В домашних условиях или в учреждении один волоконный жгут толщиной в человеческий волос может… … Энциклопедия Кольера

ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА - 4.48. ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА Раздел оптики, в котором рассматривают направленную передачу излучения и связанную с ним информацию по волоконным световодам ГОСТ 25462

Содержание статьи

ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА, технология передачи света по тонким нитям из прозрачных материалов. Этот свет используется для передачи электронных сигналов на большие расстояния. В домашних условиях или в учреждении один волоконный жгут толщиной в человеческий волос может осуществлять перенос всех сигналов, необходимых для работы телевизоров, телефонов и компьютеров. Подобные нити, называемые также оптическими волокнами или световодами, изготавливаются обычно из стекла или пластмассы.

Источниками света для волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) служат лазеры и светоизлучающие диоды. Включением и выключением света кодируются биты (т.е. соответственно единицы и нули) цифровой информации. Повторители поддерживают уровень сигнала на пути следования, а приемники обнаруживают и декодируют его на другом конце линии.

Оптическое волокно состоит из светопередающей сердцевины и оболочки, которая препятствует рассеянию света. Волокна собираются в кабель, который может содержать от 72 до 144 волокон. Первые оптические волокна были многомодовыми, т.е. по ним могло проходить несколько световых волн одновременно. Многомодовые волокна требовали довольно частого расположения повторителей, чтобы компенсировать поглощение и дисперсию световых лучей на их зигзагообразном пути по стержню. Одномодовое волокно новейшей технологии имеет настолько малый диаметр сердцевины, что позволяет спрямить путь отдельного луча и намного снизить потери интенсивности сигнала. Кабели из одномодовых волокон способны передавать до 1,2 млрд. бит данных в секунду, причем расстояние между повторителями достигает 50 км.

Применения волоконной оптики.

Оптические волокна используются в медицинских инструментах. Введенные в тело пациента, они передают изображение органа или пораженного участка на внешнюю телекамеру, исключая тем самым необходимость исследования с помощью хирургических методов. В автомобилях они служат для подачи света от общего источника к различным приборным панелям. Оптические волокна связывают компьютеры, роботы, телевизионные установки и телефоны на многих заводах и в учреждениях.

Однако такие волокна не вполне прозрачны, чтобы удовлетворить требованиям, предъявляемым к ВОЛС. В таком кабеле свет должен проходить большие расстояния без каких-либо помех. Трещины, загрязнения или пузырьки в волокне приводят к поглощению или отражению тонкого луча. Уже удалось сократить в волокнах потери на передачу до величины менее 10% на километр.

Оптические волокна, используемые для телекоммуникаций, должны свариваться так, чтобы швы были минимальны. Генераторы света должны подсоединяться к концам волокна с очень высокой точностью. Для этой цели были разработаны лазеры и светодиоды размерами не более крупицы столовой соли. Оптоволоконные кабели для телефонного обслуживания на больших расстояниях работают в США, Японии, Западной Европе. Сеть трансокеанских волоконных кабелей, связывающая Северную Америку как с Европой, так и с Азией, действует с 1990. См. также