Акад EM Dianov [email protected].
A.S.KURKOV [email protected],
Fiber Optics изследователски център на РАН, Москва
Fiber оптика е сравнително млада област на науката и технологиите, и неговата дефиниция не може да се счита за уреден. Независимо от това, ние ще се опитаме да я дам.
Структурата на оптично влакно
Това е област на науката и техниката, която е изучаване на явления, които настъпват в разпространение на светлината в оптични влакна; използването на оптични влакна и тяхната производствена технология. Оптичното влакно - е дълъг тънък нишки, обикновено изработен от стъкло, с комплекс вътрешна структура. В най-простия случай, оптичното влакно се състои от сърцевина с индекс на пречупване n1. черупка с индекс на пречупване n2 (където п1> n2) и защитно покритие. Ядрото и черупката за образуване на структура вълна осигуряване размножаване на радиация и външно покритие (полимер, метал и т.н.) Защита на влакното от външни влияния.
Феноменът на пълно вътрешно отражение
Разпространение на светлината в оптични влакна се основава на явлението пълно вътрешно отражение. Това явление се наблюдава в радиация преход от среда с висок индекс на пречупване (n1) в среда с по-нисък индекс (N2). В ъгли на падане по-малка от критичната ъгъл С. където С - ъгълът между посоката на разпространение на лъча и нормалата към интерфейса на медии, лъчът се пречупва в съответствие с пречупване на светлината (лъч 1). В ъгли на падане> наблюдавани с пълно вътрешно отражение (лъчи 2 и 3). Критичната ъгъл е дадено от грях с = n2 / N1.
Така, ако околната среда с висок индекс на пречупване на значително разстояние, за да обграждат среда с нисък индекс на пречупване, е възможно да се осигури вълна разпространение на светлината поради пълно вътрешно отражение.
Първата демонстрация на вълна разпространение на светлината е свързана с името на английския учен Dzh.Tindalya (1820-1893 GG.), Който наблюдава разпространението на водната струя. В този случай пълно вътрешно отражение се осигурява от факта, че водата има по-висок индекс на рефракция (1.33), отколкото въздуха (1). Трябва да се отбележи, че в момента има премия Тиндал присъжда за изключителни постижения в областта на оптични влакна.
Основните параметри на оптично влакно включват диаметър на сърцевината 2а. диаметър корпус 2Ь. числовата апертура NA. оптични загуби, дължина L. в зависимост от вида на диаметър влакно serd-tseviny могат да бъдат от 1 до 100 микрона, диаметърът на черупката - от 100 до 1000 микрона. За оптични влакна, използвани в оптичните комуникации, диаметър на сърцевината, на около 10 микрона, черупката - 125 микрона.
Концепцията на цифров отвор, свързан с максималния ъгъл между лъч С, който се въвежда в влакното и оста на влакна когато лъчение се "улавя" вълна структура (с = 90 ° - а): Лъчите влезли в тръба светлина под ъгъл по-голям от С. не изпитате пълно вътрешно отражение и пречупени и да излезе. На изхода оптично влакно радиация също е фокусирана в конус на половин ъгъл С.
Оптични загуби или абсорбция, обикновено изразени в см-1. Въпреки това, в конвенционалните оптични влакна и малки загуби обикновено са изразени в db / км. В този случай следната зависимост притежава: 1 cm -1 = 4,3 • 10 май db / км. дължина L на отделни дължини на влакно може да бъде няколко десетки километри. свойства вълноводни влакна зависят не само от неговите параметри, но също така и от дължината на вълната на излъчване размножителен. За да се вземе предвид този фактор, нормираната честота е въведен
V = 2а • NA /. Стойността на нормализираната честота, наред с другото, се определи структурата на режим на излъчване във влакното. Формално погледнато, мода - е стабилно състояние електромагнитното поле в рамките на вълна, едно от решенията на уравненията на Максуел за дадена структура. Обикновено режимът на влакната може да се дефинира като светло размножаване пътя. Ако V <2,4, то в световоде распространяется лишь одна мода. Световоды, в которых реализуется такой режим в ближней ИК-области, определяются как одномодовые. При V> 2.4 появи по-високи режими ред. Броят на режима за голяма стойност за нормализиране на честотата V от порядъка на 2/2. Концепцията за "един режим" е малко произволно, тъй като с намаляване на дължината на вълната един режим влакна става многомодовото.
В първата фаза на развитие (до началото на 70-те години. В ХХ.) Се развива оптични влакна за осветяване трудно достъпни обекти, предаване на изображения, ендоскопия. Те имаха голям оптичен загуба от порядъка на 1-10 db / m, така че дължината на влакната не превишава няколко метра. Това означава, оптични влакна взеха доста ограничен ниша, както и неговото развитие може да бъде описан като муден. Нещата започнаха да се променят през 60-те. XX век. след появата на лазери. По време на тази забележителна откритие през 1964 г. е удостоен с Нобелова награда от американския учен Ch.Taunsu (САЩ) и нашите сънародници NG Басов и Прохоров AM. Беше изобретението на лазери определя новите приложения на оптични влакна, най-важният от които е предаването на оптични сигнали на дълги разстояния, или създаването на оптични комуникационни линии.
Трябва да се отбележи, че историята на човечеството - това е историята на комуникацията, чрез сигнални огньове на комуникация и презокеански оптични кабели сателити. Крайъгълен камък в историята на това изобретение е братя Chappe оптичен телеграф 1794 Telegraph гр. Оптична верига представена кули поглед разстояние между Париж и Лил френски градове, разположени
225 км. Кодиране на информация, носена от лостове определени разпоредби, скорост на трансфер е около петдесет символа на час. През 1839 г., е построена най-дългата (1 200 km) линия на оптичен телеграф Петербург-Варшава.
Трябва да се отбележи, че развитието бе придружено от развитие на радио- все по-високи честоти на електромагнитно излъчване или за съкращаване на дължини на вълните. Това се дължи на факта, че по-висока честота на радиацията, информацията за трансфер (носеща честота), по-голямата си честота може да бъде модулирана информационни сигнали. Следователно, повишена скорост на предаване на информация. Ако първите радиовълни, използвани в стотици или хиляди метра, а след това ще в дължината на вълната на УКВ беше метра. С помощта на метална вълна и коаксиални кабели могат да се движат в диапазона от милиметъра. дължина на вълната на емисиите в оптичния диапазон от около 1 микрон (0.001 mm), а оттам и скоростта на предаване на информация може да бъде повече от три порядъка отколкото в коаксиални кабелни линии. Ето защо появата на лазери наведнъж предизвиква интерес от гледна точка на тяхното приложение в комуникационни линии.
В началото на 60-те години. XX век. Експериментите се провеждат върху оптичните комуникации през атмосферата, като се използва лазер като предавател сигнал. В тази очевидна трудност на такъв метод. Атмосферата не е еднакъв в оптична плътност поради неравномерното нагряване, което води до допълнително отклонение и кривината на лазерния лъч. Тези атмосферни явления като мъгла и дъжд, почти отпадане на лазерния лъч, както и птици, насекоми, падайки на оптичния път. Като един от възможните решения са предложени за използване линия обектив. Тези линии представляват линии от системата на лещи и огледала. Светлината размножава в линията на тръбата защита срещу външни влияния, лещите се използват за корекция на лазерния лъч, "регулиране фокус е невъзможно" огледала - за нейното въртене. Ясно е, че такава система е тромава, сложна и ненадеждна. Деформация тръби изискват преконфигуриране на оптичната система. Следователно, естествено да се интересуват от оптични влакна, като средство за предаване на оптичния сигнал.
През 1966 г., американски учени Као и Hokhem показа, че затихване 1000 db / км или повече не е фундаментално свойство на оптични влакна на базата на силициев двуокис стъкло, и поради наличието в него на примеси. Когато стъклото се почиства от тези примеси могат да бъдат получени затихване по-малко от 20 db / км. Основният въпрос е развитието на технологиите за производство на такива влакна. Една от първата технология "прът-телефон" се прилага. Тръбата за стъкло се поставя прът (-пръчици) на стъкло с висок индекс на пречупване, след монтажа се изтегля в спиралата. В този случай, тръби и пръти "варени" от традиционните технологии. Той бързо стана ясно, че тези традиционни технологии не могат да осигурят необходимата чистота на стъклото. Затова са разработени техники се основава на утаяването от газовата фаза. За суровини са взети хлориди (например силициев тетрахлорид SiCl4. Германий хлорид GeCl4 и др.), Да се подложи на високо пречистване. При повишени температури, тези съединения се окисляват в кислородна атмосфера, за да се образува стъкловидно оксиди, например, чрез взаимодействие на SiCl4 + O2 = SiO2 + 2Cl2.
Фигурата показва схема на една от общите технологии - модифициран химически отлагане на пари (MCVD-процес), - при окислението се извършва в тръбата за подкрепа на кварцово стъкло: оксиди на силиций, германий, и други компоненти се отлагат върху вътрешната повърхност на тръбата. До края на процесната тръба да обсаден слоеве допълнително нагряване и свива в стъклена пръчка се получава така наречената заготовка.
Следващият важен етап на процеса - екстракт от заготовката на оптични влакна, който използва специален стека. Схема чертеж е показано на фиг. Заготовката се поставя в нагревател и непрекъснато преместване на гореща зона, както е чертеж на влакната, диаметърът на който се контролира от специални устройства и се регулира чрез промяна на температурата на нагревателя. По пътя за насърчаване на барабана се прилага за оптично влакно външната обвивка. Обикновено, това е полимерен, но може да се прилага метал или въглерод за специфични приложения. Това зависи от качеството на съставяне параметър влакно сила. Стандартни оптични влакна са в състояние да издържат на натоварване до 5 кг.
През 1970 г. компанията "Corning-Glass" (САЩ) по този начин са изкуствени влакна и оптични загуби на 20db / км. През следващите десет години, нивото на оптични загуби надолу повече от 100 пъти, и достигна основните границите на 0,16 db / км при дължина на вълната 1,55 микрона. Това съответства на отслабване на светлината е 2 пъти, от разстояние 18 км.
Тези постижения в технологиите са дали тласък на бързото развитие на една нова тенденция на телекомуникациите - оптични комуникационни линии. Първото поколение на комуникационни линии, използвани за предаване на светлинен сигнал на една дължина на вълната, излъчена от лазера на полупроводници. В областта, съответстваща на затихване на сигнала е приблизително 100 пъти, в добавя ретранслатор линия, състояща се от фотодетектор, и емитер усилвател полупроводников електронен възпроизвеждане на оригиналния оптичен сигнал. Лятно работа дължина на вълната от 1.55 микрона и квантовата развитие влакна усилватели на базата на оптични влакна, легирани с Erbium йони, оставя се да се опрости предаване верига път и да завърши скорост за предаване на данни до 40 Gbit / сек.
Допълнителни изследвания показват, че същото оптично влакно може да прехвърли данните на много дължини на вълните, така наречената разделяне дължина на вълната мултиплексиране. Оптични линия става включва средства за комбиниране на излъчване на различни лазери (мултиплексор), и тяхното отделяне устройство (демултиплексор) и доставка на различни фотодетектори. Възможно е да се увеличи скоростта на предаване на информация на единично влакно до 1-10 Tbit / сек.
Тъй като използването на оптични влакна не са пряко свързани с пренос на информация. Едно такова приложение са за възстановяване и борба Браг решетка. Тяхното получаване се основава на свойството на стъклото на силикагел с добавки от различни елементи на пречупване промяна при излагане на UV радиация чрез страничната повърхност. И тези промени са "замразени" в стъклото и се запазват след прекратяване на експозицията. Ако се създаде периодична промяна в коефициента на пречупване на дължината на влакната сегмент от около 1 до 10 mm, в съответствие с връзка B = 2n радиация отражение ще настъпи в тесен спектрален диапазон (тук B (1 пМ 0.1.) - отражение дължина на вълната, - период решетка). За обхвата на операционната дължина на вълната на периода на решетка е приблизително 0.5 микрона. Следователно, за записване на решетъчните методи смущения обикновено се използва, когато две греди на лазер са формирани върху страничната повърхност на водача на светлината, излъчваща в UV спектъра.
Fiber Браг решетки
Едно от приложенията на влакна Bragg решетки е тяхното използване като чувствителен компонент оптични сензори на физични величини. Това приложение се основава на промяната в решетки отражение дължина на вълната при температурата на околната среда и при механично напрежение и деформация на влакното. Също така, решетката може да се използва като тясна лента спектрални филтри. Но дори и по-широко, тези елементи се намират в лазери влакна като огледала, които резонатор.
Един от най-забележителните постижения на оптични влакна е развитието и създаването на лазери влакна. В конвенционален лазер като активна среда използва кристал или стъкло, легирани с йони на елементи, което флуоресцира под оптичен възбуждане. Тъй като тези елементи най-широко редкоземни метали - мощни лампи или полупроводникови излъчватели използвани неодим, итербий, ербий, и т.н. За оптично възбуждане .. За образуването на активния елемент се поставя в кухина, образувана от две огледала - глухи и полупрозрачни, - чрез които радиацията се появява. Тези лазери изискват регулиране на огледалата и твърда им фиксиране. В допълнение, съществуват проблеми, свързани с активното средна температура.
По този начин, можем да заключим, че чрез създаването на оптични комуникационни системи за първи път в човешката история, технически информационни възможности за обмен на превишени (в момента) нужди на човешкото общество. каквито и да било нови направления на базата на бързото развитие на оптични влакна -. лазери влакна, датчици оптични, медицински приложения на оптични влакна и др Fiber оптика е млада област на науката. Развитието на тази област ще направи още един пробив в областта на комуникациите и в други области на човешката дейност.
Свързани статии