Academician al Academiei de Științe din Rusia E.Dianov [email protected].
ASKURKOV [email protected],
NCE RAS, Moscova
Fibra optică este un domeniu relativ tânăr de știință și tehnologie, iar definiția sa nu poate fi considerată rezolvată. Cu toate acestea, vom încerca să-i dăm.
Structura fibrei optice
Acesta este un domeniu de știință și tehnologie, care se ocupă cu studiul fenomenelor care apar atunci când se propagă lumina în fibrele optice; folosind fibrele optice și tehnologia de producție a acestora. Fibra fibra este un fir lung subțire, de obicei din sticlă, având o structură internă complexă. În cel mai simplu caz, fibra constă într-un miez cu un indice de refracție n1. coajă cu un indice de refracție n2 (cu n1> n2) și un înveliș de protecție. Miezul și cochilia formează o structură de ghid de undă care asigură propagarea radiațiilor, iar stratul exterior (polimer, metalic etc.) protejează ghidul de lumină de influențele externe.
Fenomenul reflexiei interne totale
Propagarea luminii în fibrele optice se bazează pe fenomenul de reflexie internă totală. Acest fenomen este observat atunci când radiația trece de la un mediu cu un indice de refracție mare (n1) la un mediu cu un indice mai mic (n2). La unghiuri de incidență mai mici decât unghiul critic c. unde c este unghiul dintre direcția de propagare a razei și interfața normală la media, fasciculul este refractat în conformitate cu legea lui Snell (raza 1). La unghiuri de incidență> c, se observă o reflexie internă completă (razele 2 și 3). Unghiul critic c este determinat de relația sin c = n2 / n1.
Astfel, dacă un mediu cu un indice de refracție crescut este înconjurat la o distanță suficient de mare printr-un mediu cu un indice de refracție mai mic, este posibil să se asigure o propagare a luminii de ghidaj de undă datorată fenomenului de reflexie internă totală.
Prima demonstrație a propagării luminoase a luminii este asociată cu numele omului de știință englez J. Tyndall (1820-1893), care a observat o astfel de răspândire într-un curent de apă. Reflexia internă totală a fost asigurată de faptul că apa are un indice de refracție mai mare (1,33) decât aerul (1). Trebuie remarcat faptul că în prezent există un premiu Tyndall, acordat pentru realizări remarcabile în domeniul fibrei optice.
Parametrii principali ai fibrei optice sunt diametrul miezului 2a. diametrul carcasei 2b. apertură numerică NA. pierderi optice, L. lungime în funcție de tipul de diametrul fibrelor de SERD-tseviny poate fi de la 1 la 100 microni, diametrul mantalei - de la 100 până la 1000 microni. Pentru fibrele folosite în liniile de comunicații optice, diametrul miezului este de aproximativ 10 μm, placarea este de 125 μm.
Conceptul apertura numerică asociată cu unghiul maxim între grinda c care a fost introdusă în fibră și axa fibrei atunci când radiația este „capturat“ structura waveguide (c = 90 ° - a): Razele introduse în țeava de lumină la unghiuri mai mari decât c. Nu vă confruntați cu o reflexie internă completă, dar refractați și curgeți. La ieșirea ghidului de undă cu fibră, radiația este de asemenea concentrată într-un con cu jumătate de unghi c.
Pierderile optice sau absorbția sunt exprimate în mod obișnuit în cm -1. Cu toate acestea, în cazul fibrelor optice standard, pierderile sunt mici și sunt de obicei exprimate în dB / km. Următoarea relație este valabilă: 1 cm -1 = 4,3 · 10 5 dB / km. Lungimea L a segmentelor individuale ale ghidajului de lumină poate fi de câteva zeci de kilometri. Proprietățile ghidului de undă al ghidului de lumină a fibrelor depinde nu numai de parametrii săi, ci și de lungimea de undă a radiației propagatoare. Pentru a lua în considerare acest factor, o frecvență normalizată
V = 2a • NA /. Valoarea frecvenței normalizate, în special, determină compoziția modului de radiație în fibră. Din punct de vedere formal, modul este o stare stabilă a câmpului electromagnetic din interiorul fibrei, una dintre soluțiile ecuațiilor lui Maxwell pentru o structură dată. Condiționat, modul fibră poate fi de asemenea definit ca calea de propagare a luminii. Dacă 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 apar moduri de ordine superioare. Numărul de moduri pentru o valoare mare a frecvenței normalizate este de ordinul lui V 2/2. Conceptul de "mod unic" este oarecum arbitrar; Cu o scădere a lungimii de undă de emisie, o fibră cu un singur mod devine multimod.
În prima etapă a dezvoltării sale (înainte de începutul anilor 1970), fibra optică a fost implicată în dezvoltarea fibrelor optice de fibră pentru iluminarea obiectelor greu accesibile, a transmisiei de imagini și a endoscopiei. Au avut mari pierderi optice, de ordinul 1-10 dB / m, astfel încât lungimea ghidajelor de lumină utilizate nu depășea câțiva metri. Adică, fibra optică și-a luat propria sa nișă, destul de limitată, iar dezvoltarea sa ar putea fi definită ca fiind lentă. Situația a început să se schimbe în anii '60. XX secol. după apariția laserelor. Pentru această descoperire extraordinară, în 1964, a fost distins premiul Nobel pentru omul de știință american C. Tounes (SUA) și compatrioții noștri N.G.Basov și A.Prokhorov. Invenția de lasere este cea care predetermină noile aplicații ale fibrelor optice, cea mai importantă fiind transmiterea semnalelor optice pe distanțe lungi sau crearea de linii de comunicații optice.
Trebuie remarcat faptul că istoria omenirii este și istoria dezvoltării echipamentelor de comunicații, de la incendiile de semnal la sateliții de comunicații și cablurile optice transoceanice. O piatră de hotar importantă în această poveste a fost invenția fraților Schapt de către telegraful optic din 1794. Telegraful optic a fost un lanț de turnuri pe linia de vedere între orașele franceze Paris și Lille, distanța dintre ele
225 km. Codificarea informațiilor a fost efectuată prin intermediul anumitor poziții ale setului de pârghii, viteza de transmisie fiind de aproximativ cincizeci de caractere pe oră. În 1839, a fost construită cea mai lungă linie (1200 km) a telegrafului optic din Petersburg-Varșovia.
Trebuie menționat faptul că dezvoltarea comunicațiilor radio a fost însoțită de dezvoltarea frecvențelor tot mai mari ale radiațiilor electromagnetice sau de scurtarea lungimilor de undă. Acest lucru se datorează faptului că cu cât este mai mare frecvența informațiilor care transportă radiațiile (frecvența purtătoare), cu atât mai mult poate fi modulată de semnalele de informație cu o frecvență mai mare. Prin urmare, viteza de transfer de informații este sporită. Dacă pentru primele emisiuni radio au fost utilizate lungimi de undă de sute și mii de metri, atunci în timpul tranziției la banda VHF, lungimea de undă a fost de metri. Utilizarea ghidurilor de undă metalice și a cablurilor coaxiale a făcut posibilă trecerea la o gamă de milimetri. Lungimea de undă a radiației în domeniul optic este de ordinul a 1 μm (0,001 mm), ceea ce înseamnă că viteza de transmitere a informațiilor poate fi de trei ordine de mărime mai mare decât în liniile de cablu coaxiale. Acesta este motivul pentru care apariția laserelor a stârnit imediat interesul în ceea ce privește aplicarea lor în liniile de comunicare.
La începutul anilor '60. XX secol. au fost efectuate experimente privind comunicarea optică prin atmosferă utilizând un laser ca transmițător de semnal. În același timp, au apărut dificultățile acestei metode. Atmosfera este neomogenă în densitatea optică datorată încălzirii neuniforme, ceea ce duce la o divergență suplimentară și o curbură a fasciculului laser. Asemenea fenomene atmosferice, cum ar fi ceața și precipitațiile, întrerup practic fasciculul laser, precum și păsările și insectele care cad pe calea optică. Ca una dintre soluțiile posibile, sa sugerat utilizarea liniilor lentilelor. Astfel de linii au fost conducte cu un sistem de lentile și oglinzi. Lumina propagat în interiorul liniei de țeavă de protecție împotriva influențelor exterioare, lentilele folosite pentru corectarea razei laser, „reglarea focalizării este imposibil“ oglinzi - pentru rotirea acestuia. Este clar că un astfel de sistem este greoi, complex și nesigur. Orice deformare a conductei necesită o reconfigurare a sistemului optic. De aceea, interesul pentru fibrele optice fibroase ca mediu de transmitere a unui semnal optic a devenit natural.
În 1966, oamenii de știință americani Kao și Hochem au arătat că atenuarea de 1000 dB / km sau mai mult nu este o proprietate fundamentală a fibrelor optice pe bază de sticlă de cuarț, ci se datorează prezenței impurităților în el. Când se curăță sticla de aceste impurități, se poate obține o atenuare mai mică de 20 dB / km. Principala problemă a fost dezvoltarea tehnologiei de obținere a unor astfel de fibre. Una dintre primele tehnologii a fost tehnologia "pipe-tube". O tijă de sticlă cu un indice de refracție mai mare este introdusă în tubul de sticlă, apoi ansamblul este întins în fir. În acest caz, tubul și personalul sunt "gătite" de tehnologiile tradiționale. Foarte repede a devenit clar faptul că aceste tehnologii tradiționale nu pot asigura curățenia necesară a sticlei. Prin urmare, au fost dezvoltate tehnologii bazate pe depunerea din faza gazelor. Clorurile (de exemplu clorura de siliciu SiCl4, germaniul germaniu GeCl4, etc.), care pot fi supuse unei purificări ridicate, au fost luate ca reactivi inițiali. La temperaturi ridicate, acești compuși sunt oxidați într-o atmosferă de oxigen pentru a forma oxizi sticloși, de exemplu, prin reacția SiCl4 + 02 = Si02 + 2CI2.
Figura prezintă o diagramă a uneia dintre comune tehnologii - depunere chimică de vapori modificat (MCVD-proces); - când oxidarea se efectuează în interiorul tubului suport de sticlă de cuarț: oxizi de siliciu, germaniu, și alte componente sunt depozitate pe suprafața interioară a tubului. Până la sfârșitul tubului de proces pentru straturi asediate încălzit în continuare și se prăbușește în se obține o baghetă de sticlă un așa numit preforme.
Următorul pas tehnologic important este extragerea unui ghidaj de lumină din țesătură, pentru care se utilizează hote. Desenul este prezentat în figură. Preforma este plasată într-un încălzitor și se deplasează în mod continuu zona fierbinte ca desenul fibre, al cărui diametru este controlat de dispozitive speciale și este reglată prin schimbarea temperaturii încălzitorului. Pe drumul către tamburul de recepție, se aplică o acoperire externă pe fibra optică. De regulă, este polimeric, dar pentru aplicații speciale se poate aplica fie metal, fie carbon. Calitatea fibrelor depinde de calitatea desenului, precum și de puterea. Fibrele optice standard sunt capabile să suporte sarcini de până la 5 kg.
În 1970, în cadrul companiei "Corning Glass" (SUA), au fost fabricate astfel fibre optice cu pierderi optice de 20 dB / km. În următorii zece ani, nivelul pierderilor optice a scăzut cu mai mult de 100 de ori și a atins o limită fundamentală de 0,16 dB / km la o lungime de undă de 1,55 μm. Aceasta corespunde atenuării luminii cu un factor de 2 la o distanță de 18 km.
Asemenea avansuri în tehnologie au dat un impuls dezvoltării rapide a noii direcții de telecomunicații - liniile de fibră optică de comunicare. În liniile de comunicare de prima generație, lumina a fost transmisă la o lungime de undă emisă de un laser semiconductor pentru transmiterea semnalului. În regiunea corespunzătoare atenuarea semnalului este de aproximativ 100 de ori, în linia repetor inserat constând dintr-un fotodetector, și un amplificator emițător de electroni semiconductor care reproduce semnalul optic original. Lumina zilei de lucru lungimea de undă de 1,55 microni și fibră de dezvoltare cuantice amplificatoare bazate pe fibre optice dopate cu ioni de erbiu, se lasă să se simplifice circuitul cale de transmisie și pentru a termina rata de transmisie a datelor de până la 40 Gbit / s.
Studiile ulterioare au arătat că informațiile pot fi transmise de-a lungul aceleiași fibre optice la numeroase lungimi de undă, așa-numita compactare canal spectral. linie de fibră a devenit includ mijloace de combinare a radiației de diferite lasere (multiplexor), și dispozitivul de separare (demultiplexor) și furnizarea de diferite fotodetectori. Acest lucru a permis creșterea vitezei de transfer de informații cu o fibră la 1-10 Tbit / s.
Pe măsura dezvoltării fibrei optice, au apărut aplicații care nu au legătură directă cu transmiterea de informații. Una dintre astfel de aplicații este grilajul Bragg fotoindusă. Pregătirea lor se bazează pe proprietatea sticlei de cuarț cu aditivi de diverse elemente pentru a schimba indicele de refracție sub influența iradierii UV prin suprafața laterală. Iar aceste modificări sunt "înghețate" în sticlă și rămân după eliminarea radiațiilor. Dacă creați o variație periodică a indicelui de refracție la lungimea segmentului de fibră de aproximativ 1 până la 10 mm, în conformitate cu raportul B = 2n reflexie radiației va avea loc într-un îngust interval spectral (aici B (1 nm 0.1.) - lungimea de undă de reflexie, - perioada zăbrele). Pentru intervalul de lungime de undă de operare, perioada de gratar este de aproximativ 0,5 μm. Prin urmare, metodele de interferență sunt utilizate, de obicei, pentru a înregistra grilajul, atunci când pe suprafața laterală a fibrei sunt adăugate două fascicule de la un laser care emite în partea UV a spectrului.
Gratare din fibră de sticlă Bragg
Una dintre aplicațiile rețelelor de fibre Bragg este utilizarea lor ca element sensibil al senzorilor cu fibră optică pentru cantități fizice. Această aplicație se bazează pe schimbarea lungimii de undă de reflexie a grătarului ca modificări ale temperaturii ambiante, precum și sub influența solicitărilor mecanice și a deformării ghidajului de lumină. De asemenea, grătarele pot fi folosite ca filtre spectrale cu bandă îngustă. Dar aceste elemente se găsesc și mai mult în laserele de fibre, în timp ce oglinzile formează un rezonator.
Una dintre cele mai izbitoare realizări ale fibrelor optice este dezvoltarea și crearea de lasere cu fibre. Într-un laser convențional, un mediu activ este un cristal sau un sticlă dopat cu ioni de element, care luminesază excitația optică. Deoarece aceste elemente metale pământuri rare cel mai larg - lămpi puternice sau emițători semiconductoare utilizate neodim, yterbiu, erbiu, etc. Pentru excitație optic .. Pentru a obține generația, elementul activ este plasat într-un rezonator format din două oglinzi - o oglindă surdă și translucidă - prin care se lasă radiația. Astfel de lasere necesită alinierea oglinzilor și fixarea lor rigidă. În plus, există probleme asociate cu încălzirea mediului activ.
Astfel, se poate concluziona că datorită creării sistemelor de comunicare cu fibră optică pentru prima dată în istoria omenirii, posibilitățile tehnice de schimb de informații au depășit (în prezent) nevoile societății umane. orice directii noi, bazate pe dezvoltarea rapidă a fibrelor optice -. lasere de fibre, senzori cu fibră optică, aplicații medicale de fibre optice, etc. Fibra optica este un domeniu tânăr de știință. Dezvoltarea acestui domeniu ne va permite să realizăm un progres, atât în domeniul transferului de informații, cât și în alte domenii ale activității umane.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: