Волоконная оптика

Волоконная оптика - наука о передаче данных, голоса, изображений, лазерного излучения путем прохождения света через тонкие прозрачные волокна. В телекоммуникациях волоконно-оптическая технология фактически заменила медный провод в междугородных телефонных линиях и используется для соединения компьютеров в локальных сетях. Оптоволокно также является основой фиброскопов, используемых при обследовании внутренних частей тела (эндоскопия) или обследовании внутренней части производимых конструкционных изделий.

Типичная структура волокна показана на рис.1.

Рис.1 – Структура оптоволокна: 1 – Сердцевина, 2 – Оболочка, 3 – Защитное покрытие

Сердцевина оптического волокна окружена диэлектрической оболочкой, отличающаяся показателем преломления. Показатель преломления сердцевины n₁ больше показателя преломления оболочки n₂. Для придания волокну прочности его покрывают полимерным или металлическим защитно-упрочняющим покрытием. Основу изготовления сердцевины и оболочки составляет сверхчистый кварц, легированный разными добавками. Эти добавки формируют профиль показателя преломления волокна. 

Распространение света по сердцевине оптического волокна осуществляется за счет явления полного внутреннего отражения. 

Рис.2 – Распространение света в оптоволокне

Из закона Снеллиуса минимальный угол, при котором достигается полное внутреннее отражение (ПВО):

 (1)

Из (1) можно получить выражение для максимального угла входа 

где 

Предыдущее отношение определяет числовую апертуру: 

где 

Выделяют два основах типа волокна - многомодовое и одномодовое. В рамках этих категорий волокна идентифицируются по профилю показателя преломления (ступенчатый / градиентный) и диаметрам сердцевины / оболочки, выраженных в микронах, например, многомодовое волокно с градиентным показателем преломления 50/125 мкм.

В многомодовом волокне свет проходит по сердцевине в виде множества лучей, называемых модами. Оно имеет большую сердцевину (почти всегда 50 или 62,5 микрон), которая поддерживает распространение нескольких мод света. Мода – это траектория или путь распространения световых волн. Многомодовые волокна обычно используются со светодиодными источниками на длинах волн 850 и 1300 нм. Для более медленных локальных сетей (LAN) и лазеров на 850 (VCSEL) и 1310 нм (лазеры Фабри-Перо) для сетей, работающих со скоростью гигабит в секунду или больше.

Одномодовое волокно имеет гораздо меньшую сердцевину, всего около 9 микрон, так что свет распространяется только по одной траектории (моде). Оно используется для телефонии и кабельного телевидения с лазерными источниками на длине волны 1310 и 1550 нм, поскольку оно имеет более низкие потери и практически бесконечную полосу пропускания. 

Рис.3 – Одномодовое/многомодовое волокно с разными профилями показателя преломления

Так же волокна подразделяются на активные и пассивные.

Активные волокна - это оптические волокна, содержащие в сердцевине волокна одну или несколько лазерно-активных добавок. Лазерно активные добавки – это редкоземельные элементы таблицы Менделеева, например, эрбий, иттербий. Благодаря этим добавкам активное волокно используется в качестве усиливающих сред для лазеров и волоконных усилителей.

Активные волокна обычно изготавливаются из стекла, в большинстве случаев из плавленого кварца.

Помимо способности усиливать свет, активные волокна обычно демонстрируют более высокие потери на распространение, которые, однако, не имеют большого значения, поскольку обычно требуется только относительно короткая длина волокна (десятки метров). В большинстве случаев это одномодовые или маломодовые волокна, а иногда и волокна с большой площадью моды или волокна с сохранением поляризации.

Пассивные волокна - это средство передачи излучения с небольшими потерями на распространение без усиления или преобразования информации. Обычно это означает, что они могут только пассивно передавать свет с некоторыми потерями на распространение без усиления оптической мощности. Однако в некоторых случаях возникают нелинейные механизмы усиления, основанные на вынужденном комбинационном рассеянии света или керровской нелинейности.

Также выделяют специальные волокна, одним из представителей которых являются микроструктурированные оптические волокна. Это новые типы волоконно-оптических кабелей. У них совершенно другая концепция использования света. В упомянутых выше типах оптических волокон свет распространяется за счет полного внутреннего отражения и показателей преломления сердцевины и оболочки. В микроструктурированных оптических волокнах физическая структура волновода используется на наномасштабном уровне для управления светом. Различные типы микроструктурированных оптических волокон

Фотонно-кристаллическое волокно - это оптическое волокно, которое приобретает свои волноводные свойства не из-за пространственно меняющегося состава стекла, а из-за расположения очень крошечных и близко расположенных воздушных отверстий, которые проходят по всей длине волокна. 

Рис.4 - Фотонно-кристаллическое волокно

Самый простой (и наиболее часто используемый) тип фотонно-кристаллического волокна имеет треугольный рисунок воздушных отверстий с отсутствующим одним отверстием (см. Рис. 4), то есть с твердым сердечником, окруженным массивом воздушных отверстий. Управляющие свойства этого типа волокна можно примерно понять с помощью модели эффективного показателя преломления: область с отсутствующим отверстием имеет более высокий эффективный показатель преломления, аналогичный сердцевине в обычном волокне.

Также к специальным волокнам относят:

Изготовление оптоволокна 

Изготовление оптического волокна включает три основные стадии:

Изготовление материнской заготовки

Изготовление материнской заготовки на сегодняшний день возможен различными способами:

- внешнее осаждение прекурсоров на кварцевую трубу (VAD – vapor axial deposition, OVD – outside vapor deposition);

- внутренне осаждение прекурсоров внутри кварцевой трубы (MCVD – modified chemical vapor deposition);

- плазмохимические методы (PCVD – plasma chemical vapor deposition).

Общий принцип изготовления у всех методов одинаков: сначала необходимо нанести легирующие добавки в чистую трубу или стеклянную заготовку. Затем сжать ее до монолитного стержня. Этот монолитный стержень и я является материнской заготовкой для оптического волокна. 

Рис. 5 – изготовление материнской заготовки методом MCVD

Изготовление заготовки оптического волокна

Для того чтобы вытянуть оптическое волокно, как правило, с материнской заготовкой проводят ряд подготовительных работ. В зависимости от выходных параметров ОВ материнскую заготовку могут перетянуть в меньший диаметр или провести жакетирование, т.е. увеличить диаметр. Таким образом, после получения удовлетворительных результатов по заготовке переходят к вытяжке оптического волокна. 

Вытяжка заготовки

После тестирования преформы ее помещают в «вытяжную башню» для волокон. Заготовку опускают в печь и нагревают от 1900 °C до 2200 °C. Нижняя часть заготовки, опущенная в печь, формирует каплю, которая служит грузиком для вытяжки тонкой кварцевой нити.  Эта нить протягивается через систему последовательно установленных устройств для нанесения защитно-упрочняющего покрытия и сушильных УФ-печей, а затем наматывается на катушку. Этот процесс точно контролируется с помощью лазерного микрометра для измерения толщины волокна. 

Рис.5 – Процесс проверки заготовки

Основные сферы применения оптоволокна

Волоконно-оптические кабели находят множество применений в самых разных отраслях промышленности и науки. Ниже представлены лишь некоторые примеры сфер использования волоконно-оптических кабелей:

• Передача информации

Волоконно-оптическая связь произвела революцию в телекоммуникационной отрасли. Он также получил широкое признание в сетях передачи данных. Используя оптоволоконный кабель, оптическая связь позволила установить телекоммуникационные линии на гораздо большие расстояния и с гораздо меньшими уровнями потерь в среде передачи и, что, возможно, наиболее важно, оптоволоконная связь позволила обеспечить гораздо более высокие скорости передачи данных.

• Медицина

Наиболее важные и распространенные применения в медицине - это компоненты эндоскопов для визуализации и освещения. Гибкие и жесткие мультиволокна, состоящие из волокон со ступенчатым профилем показателя преломления и волокна для визуализации с градиентным профилем показателя преломления, широко используются для визуализации внутренних органов и тканей, которые доступны через естественные отверстия или чрескожно. Другие применения оптоволокна в медицине включают дистанционную спектрофотометрию, измерение давления и положения или счет сцинтилляций.

• Мониторинг DTS/DAS

Распределенное зондирование - это технология, которая позволяет проводить непрерывные измерения в реальном времени по всей длине оптоволоконного кабеля.

Распределенный Акустический Датчик (DAS) измеряет акустическое посредством отслеживания обратного отражения посылаемого в волокно оптического сигнала. Затем датчик анализирует время между отправлением лазерного импульса и получением отраженного сигнала и измеряет акустический сигнал во всех точках по длине волокна.

Распределенный Температурный Датчик (DTS) отправляет в волокно серию субнаносекундных импульсов. При прохождении по волокну часть излучения рассеивается за счет Рэлеевского рассеяния, которое не зависит от температуры, а часть благодаря эффекту Рамана, и эта часть рассеяния зависит от температуры. Температура во всех точках по длине оптоволокна определяется путем записи отраженного Рамановским рассеянием света как функции времени.

• Производство лазеров

Волоконный лазер - это лазер, в котором в качестве активной среды используется оптическое волокно, легированное редкими элементами; обычно эрбий, иттербий, неодим, тулий, празеодим, гольмий или диспрозий.

• Сети

Используется для подключения пользователей и серверов в различных сетевых настройках и помогает повысить скорость и точность передачи данных.

• Вещание / CATV

Радиовещательные / кабельные компании используют оптоволоконные кабели для подключения кабельного телевидения, телевидения высокой четкости, Интернета и других приложений.

• Наука и технологии

В последние десятилетия оптоволоконные микрорезонаторы с модами шепчущей галереи (WGM) привлекли большое внимание благодаря своим замечательным свойствам, таким как чрезвычайно высокая добротность, малый объем моды, жесткое ограничение мод и сильное затухающее поле.

Все эти свойства микрорезонаторов WGM обеспечили их большой потенциал для приложений, таких как физические датчики, био / химические датчики и микролазеры.

WGM особенно подходящими для изучения режима генерации, нелинейной и квантовой оптики, обработки оптической информации, оптомеханику, зондирование, фундаментальную физику и т. д.

Лучи в свободном пространстве не могут быть использованы для эффективного возбуждения мод с высоким-фактором из-за рассогласования фаз между модами пучка и резонатора. В качестве альтернативы, условие фазового синхронизма может быть выполнено с использованием связи с затухающей волной, достигаемой, например, с помощью призмы, волокна с боковой полировкой, сужающегося (конического) волокна. Последнее широко используется, так как оно обеспечивает интегрированное в волокно решение проблемы связи, а также достижима связь, близкая к идеальной. 

Рис.6 - Волоконно-оптические компоненты для сетей FTTH

В заключение хочется отметить, что оптоволоконные технологии используются во многих областях телекоммуникаций, фотоники, медицины и инженерии. Она привлекла многих исследователей своей производительностью, низкими потерями, отсутствием помех, более высокой пропускной способностью и изначально высокой пропускной способностью данных.

Оптоволоконная связь произвела революцию в нашем мире - от хирургических процедур до связи по всему миру через Интернет. Развитие этой области внесло важный вклад в медицину, особенно в области хирургии. Одна из наиболее полезных характеристик оптических волокон - их способность проникать в мельчайшие проходы и труднодоступные участки человеческого тела. Но, возможно, самый большой вклад 20-го века - это сочетание волоконной оптики и электроники в преобразовании телекоммуникаций.

Оптоволокно используется для подключения пользователей и серверов в различных сетевых настройках и помогает повысить скорость и точность передачи данных. Они также используются в вооруженных силах в качестве гидрофонов для сейсмических исследований и использования SONAR, в качестве проводки в самолетах, подводных лодках и других транспортных средствах, а также для полевых сетей. Радиовещательные / кабельные провайдеры используют оптоволоконные кабели для подключения кабельного телевидения, телевидения высокой четкости, Интернета и других приложений. В промышленности и компаниях оптоволокно используется для получения изображений, в качестве проводки, где возникают проблемы с электромагнитными помехами, в качестве сенсорных устройств для измерения температуры, давления и других измерений.

Оптические волокна также широко используются в осветительных приборах. Они используются в качестве световодов в медицинских и других приложениях, где яркий свет должен попадать на цель без прямой видимости. В некоторых зданиях оптические волокна направляют солнечный свет с крыши в другие части здания. Оптоволоконное освещение также используется в декоративных целях, в том числе в искусстве.