Что такое и из чего состоит оптоволокно: полный разбор от Блондинки
Привет, друзья! О том, что такое оптоволокно, уже писал наш гуру Интернета и беспроводных технологий Бородач (ссылка на статью обязательно будет ниже). Но мои коллеги решили, что Блондинка тоже должна написать на эту тему и заодно добавить знаний в свою красивую головку. Ну что ж, надо – значит, надо! Будем разбираться.
Разумеется, пришлось схитрить и позадавать глупые вопросы нашим партнерам из LANart. За что им отдельное спасибо)
Определение для чайников
Оптоволокно – это тончайшие проводки (нити) из стекла или пластика, по которым переносится свет за счет внутреннего отражения. Кабель из оптического волокна используется как способ передачи информации на высокой скорости на большие расстояния (в прямом смысле слова «со скоростью света»). Так строятся волоконно-оптические линии связи (ВОЛС).
Факт из истории развития в России. Первая ВОЛС «Санкт-Петербург-Аберслунд» (город в Дании) была проложена компанией Ростелеком (тогда она называлась Совтелеком).
Сразу предлагаю посмотреть документальный фильм по теме:
Материалы
Стеклянное оптоволокно производится из кварца. Это обеспечивает следующие характеристики:
Для дальнего диапазона применяют халькогенидные стекла, калий цирконий фтористый или криолит калия.
Сейчас развивается производство оптоволокна из пластика. При этом сердцевину (ядро) делают из органического стекла, а оболочку из фторопластов. Недостатком полимерных материалов считают низкую пропускную способность в зонах с инфракрасным излучением.
Строение
Из чего состоит оптоволокно? Это круглая в разрезе нить, внутри которой есть ядро (сердцевина), снаружи покрытое оболочкой. Чтобы обеспечить полное внутреннее отражение, показатель преломления ядра должен быть выше того же параметра для оболочки. Как это работает – луч света, направленный в ядро, многократно отражается от оболочки.
Диаметр оптоволоконной нити, которая используется в телекоммуникациях, равен 124-126 микрон. При этом диаметр ядра может отличаться – все зависит от типа оптоволокна (об этом я расскажу в следующем разделе) и национальных стандартов.
1 микрон – это 0,001 мм. Я посчитала, получается, что диаметр всего 0,125 мм.
Виды и области применения
Друзья, перед ознакомлением с дальнейшим материалом настоятельно рекомендую обратить внимание вот на этот каталог оптического кабеля. Т.е. смотрите что можно купить на практике в реальном магазине, а ниже пытаетесь найти верную расшифровку. Это и интересно, и поможет лучше понять информацию)
Оптическое волокно бывает двух типов (в зависимости от количества лучей в волокне – мод):
Этот раздел сложен для простого обывателя, но, если кому-то хочется разобраться подробнее, напишите в комментарии. Кто-то из ребят обязательно пояснит все, что было непонятно.
Основные направления, где применяется оптоволокно – это волоконно-оптическая связь и волоконно-оптический датчик. Другие области:
Как я понимаю, все же основная область применения – это построение магистралей оптоволоконных линий связи. Проще говоря, это линии, с помощью которых передается Интернет во всех крупных городах.
А вот что рассказывает познавательная передача для детей и взрослых «Галилео»:
Оптический кабель
Вот мы и подобрались к самой большой тайне современности – оптоволоконный кабель, который соединяет города и континенты и передает информацию со скоростью света. При этом к нам в квартиру Интернет попадает через витую пару, чаще всего из 8 проводков. Максимальная скорость будет достигать значения в 1 Гбит/сек.
Кто в теме, тот знает, что разместить 8-жильный провод можно не в каждый кабель-канал. В этом и есть основное преимущество оптоволокна. Оптический кабель в несколько раз тоньше витой пары и обеспечивает более высокую скорость (до 10 Гбит/с).
Вроде как провайдеры стали потихоньку переводить абонентов на оптоволокно – то есть «оптика» будет идти не только ДО подъезда, но и ПО нему до квартиры. Неприятная новость – для использования такого кабеля нужен специальный маршрутизатор.
По способу монтажа оптический кабель классифицируется на следующие виды:
В зависимости от использования и дальности сигнала оптоволоконный кабель бывает:
Есть еще классификация по способу исполнения ядра и количеству волокон в нем. Я думаю, это вряд ли будет интересно, но, если что, коллеги расскажут и об этом – нужно только написать в комментарии.
Достоинства и недостатки
Напоследок давайте разберемся в плюсах и минусах оптоволоконного кабеля. Начнем с преимуществ:
А теперь о недостатках:
По теме у нас есть еще 2 статьи. Почитать можно тут и тут.
На этом можно заканчивать. Надеюсь, была полезной, а мой рассказ интересным. Всем пока!
Оптоволокно: прошлое и настоящее
В 1966 году ученый и выходец из Китая Чарльз Као Куэн представил миру результаты собственного исследования. Основной посыл его разработок заключался в том, что оптическую связь можно организовать с помощью стеклянного волокна. В своей работе Као представил миру уникальные конструктивные особенности волокна и его материалов. Исследования ученого можно по праву считать основой волоконно-оптических телекоммуникаций сегодняшнего дня. Первое же упоминание термина “оптическое волокно” впервые было использовано в 1956 году компанией NS Kapany из США.
Сегодня технологии волоконно-оптической связи настолько прочно проникли в нашу жизнь, что мы уже не видим в них ничего удивительного и воспринимаем их наличие также, как наличие водопровода в многоквартирном доме. Поэтому в этой публикации хотелось бы подробнее поговорить об оптике и рассказать несколько интересных фактов о технологии, на которой основана современная высокоскоростная связь.
Немного истории
За время истории развития волоконной оптики было проведено множество интересных исследований и экспериментов. Остановим свой взгляд лишь на некоторых из них.
Английский физик Джон Тиндалл провел эксперимент с отражением светового луча в струе воды, описание которого он зафиксировал в своей книге.
«Если угол, под которым падает луч света из воды в воздух (т.е. угол между поверхностью двух сред и перпендикуляром), превышает 48 градусов, то луч не выходит из воды – он полностью отражается от границы вода-воздух… Если наименьший угол падения, при котором наблюдается полное внутреннее отражение, назвать предельным углом, то для воды он будет равным 48°27», для бесцветного стекла (флинтглас) – 38°41″, а для алмаза – 23°42″, — пишет Тиндалл.
Экспериментальная установка Джона Тиндалла
Этот эксперимент при желании может дома поставить любой желающий. Лазерной указкой нужно светить под разными углами в ванной на струю воды из крана. Под определенным углом световой луч будет полностью отражаться в потоке воды.
Аналогичный эксперимент можно произвести и с фонариком. Для этого в прозрачной пластиковой бутылке нужно сделать отверстие сбоку. Пропускаем воду через бутылку и начинаем светить фонарем с противоположной стороны бутылки. Если мы подставив ладонь, то на ней будет отражаться пятно света.
Активные разговоры о волоконных светодиодах начались еще в пятидесятых годах прошлого столетия. Тогда же и начали их делать из разного рода прозрачных материалов. Но прозрачности тех материалов не хватало для хорошей проводимости света.
В те годы Советский Союз даже опережал Запад в сфере волоконной оптики. Первая оптическая линия связи была запущена в СССР в 1977 году в Зеленограде. Канал был создан для соединения Северной промзоны и администрации города. Изготовлена она была на оптическом кабеле разработки особого конструкторского бюро кабельной промышленности (ОКБ КП), входящего в Концерн «Радиоэлектронные технологии» (КРЭТ) Государственной корпорации Ростех, специализирующегося на производстве кабелей и кабельных сборок.
В мае 1981 года в СССР вышло Постановление ЦК КПСС и СМ СССР «О разработке и внедрении световодных систем связи и передачи информации». Это событие стало толчком для развития волоконно-оптической связи и увеличению количества разработок в этой сфере.
В начале 60-х сначала в СССР, а затем и на Западе ученые приходят к выводу, что светопоглощение стекла сильно зависит от красящих материалов и продуктов разъедания огнеупоров. Экспериментально было доказано, что светопоглощение идеально чистого стекла настолько мало, что лежит за пределами чувствительности измерительных приборов.
В 1966 году группа ученых во главе Чарльзом Куэн Као приходит к выводу, что наиболее подходящим материалом для волоконно-оптической связи будет кварцевое стекло. Уже тогда Као считал, что с помощью оптики можно будет передавать информацию и вскоре этот вид связи заменит передачи сигнала по медным проводам.
Спустя три года Као получил волокно с коэффициентом затухания на уровне 4 дБ/км. Это результат стал первым экземпляром сверхпрозрачного стекла. Еще год спустя компания Corning Incorporated произвела волокна со ступенчатым профилем показателя преломления и достигла коэффициента затухания 20 дБ/км на длине волны 633 нм. Впервые кварцевое волокно пропустило световой луч на расстояние до 2 километров.
Согласитесь в схожем темпе сейчас развивается квантовая передача данных. По чуть-чуть, да понемногу. В качестве экспериментов и коммерческого использования на небольших расстояниях.
Где оптоволокно применяется помимо телекома
Сегодня волокно применяется во множестве отраслей помимо телекома. Это рентгеновские аппараты, где оно обеспечивает гальваническую развязку между источником высокого напряжения и низковольтным управляющим оборудованием. Так персонал и пациенты получают изоляцию от высоковольтной части аппаратуры. Волокно применяют в распределительных устройствах электроподстанций в качестве датчика системы защиты.
Обширно оптические волокна используют в разного рода измерительных системах, где невозможно применять традиционные электроприборы. Например, в системах измерения температуры в реактивных двигателях самолета, в аппаратах МРТ (томографические медицинские аппараты для исследования внутренних органов, в том числе головного мозга) и др. Датчики на основе оптических волокон могут измерять частоту вибраций, вращения, смещения, скорость и ускорение, вращающий момент, скручивание и другие параметры.
Сегодня применяются гироскопы на основе оптического волокна, которые работают на основе эффекта Саньяка. У такого гироскопа нет подвижных частей, что делает его весьма надежным. Несмотря на то что в современных системах навигации используется огромное количество различных датчиков, благодаря которым определяется положение объекта, наиболее независимую систему можно создать лишь на основе волоконно-оптических гироскопов.
Оптика широко применяется в охранной сигнализации. Устроена такая охранная система следующим образом: когда злоумышленник проникает на территорию условия прохождения света через световод изменяются, и срабатывает сигнализация.
Пример реализации волоконно-оптического гироскопа
Трехосевой волоконно-оптический инерциальный измерительный модуль серии ASTRIX производства фирмы AIRBUS DEFENCE&SPACE; в датчик по каждому направлению встроен LiNb03 модулятор
Волокно активно используется в декоративных целях, как украшение праздников, в искусстве и рекламе.
Постоянно разрабатываются новые типы оптических волокон. К примеру, фотонно-кристаллических световоды. Распространение света в них основано на несколько иных принципах. Такое волокно можно использовать в качестве жидкостных, химических и газовых датчиков. Кроме того его можно применять для для транспортировки мощного излучения в промышленных или медицинских целях.
Полным ходом идет разработка оптоволокна, с помощью которого можно было бы передавать энергию лазерного излучения мощность в несколько киловатт. В теории передача излучения мощность 10 кВт по волокну длиной 250 м при диаметре сердцевины 150 мкм считается возможной.
Фотонно-кристаллическое волокно
Также стоит отметить, что сегодня активно разрабатываются многосердцевинные волокна. Их использование позволит значительно увеличить общую пропускную способность ВОЛС.
Волокну уже за пятьдесят, но технология явно не собирается на пенсию. Инновации в сфере оптоволокна появляются регулярно и телеком здесь далеко не единственная отрасль заинтересованная в развитии технологии.
Оптическое волокно (оптоволокно)
Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) давно занимают одну из лидирующих позиций на рынке телекоммуникаций. Имея ряд преимуществ перед другими способами передачи информации (витая пара, коаксиальный кабель, беспроводная связь…), ВОЛС широко используются в телекоммуникационных сетях разных уровней, а также в промышленности, энергетике, медицине, системах безопасности, высокопроизводительных вычислительных системах и во многих других областях.
Передача информации в ВОЛС осуществляется по оптическому волокну (optical fiber). Для того чтобы грамотно подойти к вопросу использования ВОЛС, важно хорошо понимать, что из себя представляет оптическое волокно как среда передачи данных, каковы его основные свойства и характеристики, какие бывают разновидности оптических волокон. Именно этим базовым вопросам теории волоконно-оптической связи и посвящена данная статья.
Структура оптического волокна
Оптическое волокно (оптоволокно) – это волновод с круглым поперечным сечением очень малого диаметра (сравним с толщиной человеческого волоса), по которому передается электромагнитное излучение оптического диапазона. Длины волн оптического излучения занимают область электромагнитного спектра от 100 нм до 1 мм, однако в ВОЛС обычно используется ближний инфракрасный (ИК) диапазон (760-1600 нм) и реже – видимый (380-760 нм). Оптическое волокно состоит из сердцевины (ядра) и оптической оболочки, изготовленных из материалов, прозрачных для оптического излучения (рис. 1).
Рис. 1. Конструкция оптического волокна
Свет распространяется по оптоволокну благодаря явлению полного внутреннего отражения. Показатель преломления сердцевины, обычно имеющий величину от 1,4 до 1,5, всегда немного больше, чем показатель преломления оптической оболочки (разница порядка 1%). Поэтому световые волны, распространяющиеся в сердцевине под углом, не превышающим некоторое критическое значение, претерпевают полное внутреннее отражение от оптической оболочки (рис. 2). Это следует из закона преломления Снеллиуса. Путем многократных переотражений от оболочки эти волны распространяются по оптическому волокну.
Рис. 2. Полное внутреннее отражение в оптическом волокне
На первых метрах оптической линии связи часть световых волн гасят друг друга вследствие явления интерференции. Световые волны, которые продолжают распространяться в оптоволокне на значительные расстояния, называются пространственными модами оптического излучения. Понятие моды описывается математически при помощи уравнений Максвелла для электромагнитных волн, однако в случае оптического излучения под модами удобно понимать траектории распространения разрешенных световых волн (обозначены черными линиями на рис. 2). Понятие моды является одним из основных в теории волоконно-оптической связи.
Основные характеристики оптического волокна
1. Геометрические параметры.
Помимо соотношения диаметров сердцевины и оболочки, большое значение для процесса передачи сигнала имеют и другие геометрические параметры оптоволокна, например:
Рис 3. Некруглость и неконцентричность сердцевины и оболочки
Геометрические параметры стандартизированы для разных типов оптического волокна. Благодаря совершенствованию технологии производства значения некруглости и неконцентричности удается свести к минимуму, так что влияние неточности геометрии оптоволокна на его оптические свойства оказывается несущественным.
2. Числовая апертура.
Числовая апертура (NA) – это синус максимального угла падения луча света на торец волокна, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения (рис. 4). Этот параметр определяет количество мод, распространяющихся в оптическом волокне. Также величина числовой апертуры влияет на точность, с которой должна производиться стыковка оптических волокон друг с другом и с другими компонентами линии.
Рис 4. Числовая апертура
3. Профиль показателя преломления.
Профиль показателя преломления – это зависимость показателя преломления сердцевины от ее поперечного радиуса. Если показатель преломления остается одинаковым во всех точках поперечного сечения сердцевины, такой профиль называется ступенчатым. Среди других профилей наибольшее распространение получил градиентный профиль, при котором показатель преломления плавно увеличивается от оболочки к оси (рис. 5). Помимо этих двух основных, встречаются и более сложные профили.
Рис. 5. Профили показателя преломления
4. Затухание (потери).
Затухание – это уменьшение мощности оптического излучения по мере распространения по оптическому волокну (измеряется в дБ/км). Затухание возникает вследствие различных физических процессов, происходящих в материале, из которого изготавливается оптоволокно. Основными механизмами возникновения потерь в оптическом волокне являются поглощение и рассеяние.
б) Рассеяние света, то есть отклонение от исходной траектории распространения, происходит на различных неоднородностях показателя преломления, геометрические размеры которых меньше или сравнимы с длиной волны излучения. Такие неоднородности являются следствием как наличия дефектов структуры волокна (рассеяние Ми), так и свойствами аморфного (некристаллического) вещества, из которого изготавливается волокно (рэлеевское рассеяние). Рэлеевское рассеяние является фундаментальным свойством материала и определяет нижний предел затухания оптического волокна. Существуют и другие виды рассеяния (Бриллюэна-Мандельштама, Рамана), которые проявляются при уровнях мощности излучения, превышающих те, которые обычно используются в телекоммуникациях.
Величина коэффициента затухания имеют сложную зависимость от длины волны излучения. Пример такой спектральной зависимости приведен на рис. 6. Область длин волн с низким затуханием называется окном прозрачности оптического волокна. Таких окон может быть несколько, и именно на этих длинах волн обычно осуществляется передача информационного сигнала.
Рис. 6. Спектральная зависимость коэффициента затухания
Потери мощности в волокне обуславливаются также различными внешними факторами. Так, механические воздействия (изгибы, растяжения, поперечные нагрузки) могут приводить к нарушению условия полного внутреннего отражения на границе сердцевины и оболочки и выходу части излучения из сердцевины. Определенное влияние на величину затухания оказывают условия окружающей среды (температура, влажность, радиационный фон…).
Поскольку приемник оптического излучения имеет некоторый порог чувствительности (минимальную мощность, которую должен иметь сигнал для корректного приема данных), затухание служит ограничивающим фактором для дальности передачи информации по оптическому волокну.
5.Дисперсионные свойства.
Помимо расстояния, на которое передается излучение по оптическому волокну, важным параметром является скорость передачи информации. Распространяясь по волокну, оптические импульсы уширяются во времени. При высокой частоте следования импульсов на определенном расстоянии от источника излучения может возникнуть ситуация, когда импульсы начнут перекрываться во времени (то есть следующий импульс придет на выход оптического волокна раньше, чем закончится предыдущий). Это явление носит название межсимвольной интерференции (англ. ISI – InterSymbol Interference, см. рис. 7). Приемник обработает полученный сигнал с ошибками.
Рис. 7. Перекрывание импульсов, вызывающее межсимвольную интерференцию: а) входной сигнал; б) сигнал, прошедший некоторое расстояние L1 по оптическому волокну; в) сигнал, прошедший расстояние L2>L1.
Уширение импульса, или дисперсия, обуславливается зависимостью фазовой скорости распространения света от длины волны излучения, а также другими механизмами (табл. 1).
Таблица 1. Виды дисперсии в оптическом волокне.
| Название | Краткое описание | Параметр |
| 1. Хроматическая дисперсия | Любой источник излучает не одну длину волны, а спектр незначительно отличающихся длин волн, которые распространяются с разной скоростью. | |
| а) Материальная хроматическая дисперсия | Связана со свойствами материала (зависимость показателя преломления от длины волны излучения) | |
| б) Волноводная хроматическая дисперсия | Связана с наличием волноводной структуры (профиль показателя преломления) | |
| 2. Межмодовая дисперсия | Моды распространяются по разным траекториям, поэтому возникает задержка во времени их распространения. | |
| 3. Поляризационная модовая дисперсия, PMD | Мода имеет две взаимно перпендикулярные составляющие (поляризационные моды), которые могут распространяться с различными скоростями. |
Таким образом, дисперсия в оптическом волокне отрицательно сказывается как на дальности, так и на скорости передачи информации.
Разновидности и классификация оптических волокон
Рассмотренные свойства являются общими для всех оптических волокон. Однако описанные параметры и характеристики могут существенно отличаться и оказывать различное влияние на процесс передачи информации в зависимости от особенностей производства оптоволокна.
Фундаментальным является деление оптическим волокон по следующим критериям.
Рис. 8. Многомодовое и одномодовое волокно
На основании этих факторов можно выделить четыре основных класса оптических волокон, получивших распространение в телекоммуникациях:
Каждому из этих классов посвящена отдельная статья на нашем сайте. Внутри каждого из этих классов также существует своя классификация.
Производство оптических волокон
Процесс изготовления оптического волокна крайне сложен и требует большой точности. Технологический процесс проходит в два этапа: 1) создание заготовки, представляющей собой стержень из выбранного материала со сформированным профилем показателя преломления, и 2) вытягивание волокна в вытяжной башне, сопровождающееся покрытием защитной оболочкой. Существует большое количество различных технологий создания заготовки оптического волокна, разработка и совершенствование которых происходит постоянно.
Волоконно-оптические кабели
Практическое использование оптического волокна в качестве среды передачи информации невозможно без дополнительного упрочнения и защиты. Волоконно-оптическим кабелем называется конструкция, включающая в себя одно или множество оптических волокон, а также различные защитные покрытия, несущие и упрочняющие элементы, влагозащитные материалы. По причине большого разнообразия областей применения оптоволокна производители выпускают огромное количество самых разных волоконно-оптических кабелей, отличающихся конструкцией, размерами, используемыми материалами и стоимостью (рис. 9).
