Optisk fiber

Optisk fiber  - en tråd av optiskt transparent material (glas, plast) som används för att överföra ljus inuti sig själv genom total inre reflektion .

Optisk fiber  är ett dielektriskt styrmedium utformat för att kanalisera elektromagnetiska vågor i det optiska och infraröda området. Den optiska fibern är av koaxial konstruktion och består av en kärna, en beklädnad och en primär akrylatbeläggning och kännetecknas av en brytningsindexprofil.

Fiberoptik  är en gren av tillämpad vetenskap och teknik som beskriver sådana fibrer. Kablar baserade på optiska fibrer ( fiberoptisk kabel ) används i fiberoptisk kommunikation , vilket gör att information kan överföras över längre avstånd med en högre datahastighet än i elektronisk kommunikation [1] . I vissa fall används de också för att skapa sensorer .

Historik

Principen för ljustransmission som används i fiberoptik demonstrerades först på 1800-talet, men utbredd tillämpning hämmades av bristen på lämplig teknik.

1934 fick amerikanen Norman R. French patent på ett optiskt telefonsystem, där talsignaler överfördes med hjälp av ljus genom stavar av rent glas [2] .

På 1950 -talet utvecklade Brian O'Brien och Narinder Kapanii (som myntade termen fiberoptik 1956) optiska fibrer för bildöverföring. De har applicerats i ljusledare som används inom medicin (inom endoskopi ) [3] [4] .

1962 skapades en halvledarlaser och en fotodiod som användes som källa och mottagare för en optisk signal [2] .

1966 formulerade K. Ch. Kao och J. Hockham kraven för ett informationsöverföringssystem för optisk fiber och visade på möjligheten att skapa en optisk fiber med en dämpning på mindre än 20 dB / km . De fann att den höga dämpningsnivån i de första fibrerna (cirka 1000 dB/km) berodde på föroreningarna i glaset. För detta arbete fick Kao 2009 års Nobelpris i fysik .

Men först 1970 lyckades Corning- anställda Robert Maurer och Donald Keck få fiber med låg dämpning - upp till 16 dB / km, på ett par år - upp till 4 dB / km. Fibern var multimod och flera ljuslägen sändes genom den. År 1983 bemästrades produktionen av singelmodsfibrer, genom vilket ett läge överfördes .

Fiberoptiska kommunikationslinjer (FOCL) användes först för militära ändamål. 1973 implementerade den amerikanska flottan först fiberoptisk länk ombord på Little Rock . 1976 ersatte det amerikanska flygvapnet kabelutrustningen på A-7- flygplanet med fiberoptisk utrustning, som vägde mycket mindre. 1977 lanserades en två kilometer lång FOCL, som förbinder marksatellitstationen med kontrollcentralen.

År 1980 började den första kommersiella FOCL att fungera i USA mellan Boston och Richmond [3] [4] .

I Sovjetunionen dök de första fiberoptiska kommunikationslinjerna upp på flera platser i slutet av 1980-talet. Den första ryska internationella FOCL var undervattenslinjen St. Petersburg  - Albertslund ( Danmark ), anlagd 1993 av JSC Sovtelecom [5] [6] (nu PJSC Rostelecom [7] ).

Under 2018 genomförde forskare från NICT Network System Research Institute och Fujikura Ltd, vars specialister utvecklade en ny typ av treläges (trekanalig) optisk fiber, ett experiment under vilket en informationsöverföringshastighet på 159 terabit per sekund uppnåddes över en sträcka på 1045 kilometer. Under normala förhållanden gör förseningar i multimodfiber det svårt att samtidigt ta emot höga överföringshastigheter och utföra överföring över långa avstånd. Och denna prestation är ett slags demonstration av en ny metod för att övervinna begränsningar [8] .

Material

Optiska glasfibrer är gjorda av kvartsglas , men andra material som fluorozirkonat , fluoroaluminat och kalkogenidglas kan användas för fjärrinfraröd . Liksom andra glasögon har dessa ett brytningsindex på cirka 1,5.

För närvarande utvecklas användningen av optiska plastfibrer. Kärnan i en sådan fiber är gjord av polymetylmetakrylat (PMMA), och manteln är gjord av fluorerad PMMA (fluorpolymerer).

Konstruktion

Optisk fiber har som regel ett cirkulärt tvärsnitt och består av två delar - en kärna och en beklädnad. För att säkerställa total inre reflektion är kärnans absoluta brytningsindex något högre än beklädnadens. Kärnan är gjord av rent material (glas eller plast) och har en diameter på 9 µm (för single mode fiber), 50 eller 62,5 µm (för multimode fiber). Beklädnaden har en diameter på 125 µm och består av ett material med dopämnen som ändrar brytningsindex. Till exempel, om beklädnadens brytningsindex är 1,474, är kärnans brytningsindex 1,479. En ljusstråle riktad in i kärnan kommer att fortplanta sig längs den och reflekteras många gånger från skalet.

Mer komplexa konstruktioner är också möjliga: tvådimensionella fotoniska kristaller kan användas som kärna och beklädnad , istället för en stegvis förändring i brytningsindex, används ofta fibrer med en gradient brytningsindexprofil, kärnans form kan skilja sig från cylindrisk. Sådana konstruktioner ger fibrerna speciella egenskaper: bibehåller polariseringen av utbredningsljus, minskar förluster, ändrar fiberspridningen, etc.

Optiska fibrer som används inom telekommunikation har vanligtvis en diameter på 125±1 mikron. Kärndiametern kan variera beroende på fibertyp och nationella standarder.

Klassificering

Optiska fibrer kan vara singelmode eller multimode. Kärndiametern för singelmodsfibrer är mellan 7 och 10 mikron . På grund av kärnans ringa diameter fortplantar sig optisk strålning genom fibern i ett (fundamentalt) läge och som ett resultat finns det ingen intermodspridning.

Det finns tre huvudtyper av singelmodsfibrer:

  1. enkelmodsstegad fiber med oförskjuten spridning (standard) (SMF eller SM, engelskt  stegindex s ingle mode fiber ), definieras av ITU-T G.652 - rekommendationen och används i de flesta optiska kommunikationssystem;
  2. dispersionsskiftad enkelmodsfiber ( DSF eller DS ) definieras av ITU- T G.653 .  I DSF-fibrer, med hjälp av föroreningar, flyttas området med nollspridning till det tredje genomskinlighetsfönstret , där den minsta dämpningen observeras;
  3. icke - noll dispersionsskiftad enkelmodsfiber ( NZDSF , NZDS  eller NZ , _

Multimode-fibrer skiljer sig från singlemode-fibrer i sin kärndiameter, som är 50 mikron i den europeiska standarden och 62,5 mikron i den nordamerikanska och japanska standarden. På grund av kärnans stora diameter fortplantar sig flera strålningslägen genom multimodfibern - var och en i sin egen vinkel, på grund av vilken ljuspulsen upplever dispersionsdistorsion och övergår från rektangulär till klockformad.

Multimode-fibrer är uppdelade i steg- och gradientfibrer. I stegformade fibrer ändras brytningsindex stegvis från beklädnaden till kärnan. I gradientfibrer sker denna förändring annorlunda - kärnans brytningsindex ökar smidigt från kanten till mitten. Detta leder till fenomenet brytning i kärnan, vilket minskar effekten av dispersionen på distorsionen av den optiska pulsen. Brytningsindexprofilen för en gradientfiber kan vara parabolisk , triangulär , trasig och så vidare.

Polymer (plast)fibrer tillverkas med en diameter på 50, 62,5, 120 och 980 mikrometer och ett hölje med en diameter på 490 och 1000 mikrometer.

Applikation

Fiberoptisk kommunikation

Optiska fibrer används huvudsakligen som medium för att överföra information i fiberoptiska telekommunikationsnät på olika nivåer: från interkontinentala motorvägar till hemdatornätverk. Användningen av optiska fibrer för kommunikationslinjer beror på att optisk fiber ger hög säkerhet mot obehörig åtkomst, låg signaldämpning vid överföring av information över långa avstånd, möjlighet att arbeta med extremt höga överföringshastigheter och genomströmning trots att signalens utbredningshastighet i fibrer kan vara upp till 30 % lägre än i koppartrådar och upp till 40 % lägre än utbredningshastigheten för radiovågor [9] . Redan 2006 uppnåddes modulationsfrekvensen 111 GHz [10] [11] , medan hastigheterna på 10 och 40 Gbit/s redan har blivit standardöverföringshastigheter över en enda optisk fiberkanal. Samtidigt kan varje fiber, med hjälp av tekniken för spektral multiplexering av kanaler , sända upp till flera hundra kanaler samtidigt, vilket ger en total informationsöverföringshastighet beräknad i terabit per sekund. Så 2008 uppnåddes en hastighet på 10,72 Tbps [12] och 2012 - 20 Tbps [13] . Det senaste hastighetsrekordet är 255 Tbps [14] .

Sedan 2017 har experter pratat om att nå den praktiska gränsen för befintlig fiberoptisk kommunikationsteknik och om behovet av grundläggande förändringar i branschen [15] .

Fiberoptisk sensor

Optisk fiber kan användas som sensor för att mäta spänning, temperatur, tryck och andra parametrar. Den lilla storleken och den virtuella frånvaron av behov av elektrisk energi ger fiberoptiska sensorer en fördel jämfört med traditionella elektriska sensorer i vissa områden.

Optisk fiber används i hydrofoner i seismiska eller ekolodsinstrument. Hydrofonsystem har utvecklats med mer än 100 sensorer per fiberkabel. Hydrofonsensorsystem används inom oljeindustrin och även av flottor i vissa länder. Det tyska företaget Sennheiser har utvecklat en lasermikrofon , vars huvudelement är en lasersändare, ett reflekterande membran och en optisk fiber [16] .

Fiberoptiska sensorer som mäter temperaturer och tryck är designade för mätningar i oljekällor. De är väl lämpade för denna miljö och arbetar vid temperaturer som är för höga för solid state-sensorer.

Med användning av polymeroptiska fibrer skapas nya kemiska sensorer (sensorer), som används i stor utsträckning inom ekologi, till exempel för att detektera ammonium i vattenhaltiga medier [17] .

Bågskyddsanordningar med fiberoptiska sensorer har utvecklats, vars främsta fördelar jämfört med traditionella ljusbågsskyddsanordningar är: hög hastighet, okänslighet för elektromagnetiska störningar, flexibilitet och enkel installation, dielektriska egenskaper.

Optisk fiber applicerad i lasergyroskopet som används i Boeing 767 och i vissa bilmodeller (för navigering). Fiberoptiska gyroskop används i Soyuz rymdfarkoster [18] . Speciella optiska fibrer används i interferometriska magnetfält och elektriska strömsensorer. Dessa är fibrer som erhålls genom att rotera en förform med stark inbyggd dubbelbrytning.

Andra användningsområden

Optiska fibrer används ofta för belysning . De används som ljusledare i medicinska och andra applikationer där starkt ljus måste levereras till ett svårtillgängligt område. I vissa byggnader riktar optiska fibrer solljus från taket till någon del av byggnaden. Även i bilbelysning (indikering på instrumentbrädan).

Fiberoptisk belysning används också för dekorativa ändamål, inklusive kommersiell reklam, konst och konstgjorda julgranar .

Optisk fiber används också för bildbehandling. Ljusstrålen som överförs av en optisk fiber används ibland tillsammans med linser, till exempel i ett endoskop , som används för att se föremål genom en liten öppning.

Optisk fiber används vid konstruktionen av en fiberlaser .

Se även

Anteckningar

  1. ↑ A. G. Korobeinikov, Yu. A. Gatchin, K. V. Dukelsky, E. V. Ter-Nersesyants. Problem med produktion av höghållfast  optisk fiber - UDC 681.7.- Vetenskaplig och teknisk bulletin från ITMO . - nummer 2 (84). – mars-april 2013
  2. ↑ 1 2 Dushutin N. K., Mokhovikov A. Yu. Från historien om den kondenserade materiens fysik . Från den kondenserade materiens fysiks historia S. 157. Irkutsk State University (2014). Hämtad 21 januari 2016. Arkiverad från originalet 27 januari 2016.
  3. ↑ 1 2 Historisk utvikning . Hämtad 28 juni 2022. Arkiverad från originalet 14 september 2019.
  4. ↑ 1 2 A fiberoptisk kronologi
  5. ↑ Funktioner av konstruktionen av FOCL i Ryssland . Hämtad 28 juni 2022. Arkiverad från originalet 25 mars 2018.
  6. ↑ Telekom i Ryssland 2000-2004 . Hämtad 28 juni 2022. Arkiverad från originalet 6 september 2019.
  7. ↑ Historia av OJSC Rostelecom
  8. ↑ "Rekordbrytande fiberöverföringshastighet rapporterad" Arkiverad 19 april 2018 på Wayback Machine ECN, 17 april 2018
  9. ↑ Salifov I. I. Beräkning och jämförelse av överföringsmedia för moderna stamnätskommunikationsnät enligt kriteriet latens (fördröjning)  // T-Comm - Telecommunications and Transport: journal. - M . : Publishing House "Media Publisher", 2009. - Nr 4 . - S. 42 . Arkiverad från originalet den 21 januari 2022.
  10. ↑ NTT pressmeddelande. 14 Tbps över en enda optisk fiber: framgångsrik demonstration av världens största kapacitet. 140 digitala högupplösta filmer sänds på en sekund (länk ej tillgänglig) (29 september 2006). Hämtad 3 oktober 2011. Arkiverad från originalet 27 maj 2012. 
  11. ↑ MS Alfiad, et al. . 111 Gb/s POLMUX-RZ-DQPSK Överföring över 1140 km SSMF med 10,7 Gb/s NRZ-OOK Neighbors, C. Mo.4.E.2.
  12. ↑ Listvin A.V., Listvin V.N., Shvyrkov D.V. Optiska fibrer för kommunikationslinjer . - M . : LESARart, 2003. - S.  8 . — 288 sid. — 10 000 exemplar.  - ISBN 5-902367-01-8 .
  13. ↑ Huawei presenterar Prototype 400G DWDM Backbone Transmission System . Hämtad 23 september 2013. Arkiverad från originalet 26 september 2013.
  14. ↑ Optisk fiber med en bandbredd på upp till 255 terabit per sekund skapades , Lenta.ru  (28 oktober 2014). Arkiverad från originalet den 29 oktober 2014. Hämtad 29 oktober 2014.
  15. ↑ Alexander Golyshko, Vitaly Shub. Dags för mirakel, eller bromsar för världens ände . ICS media . ICS Journal (7 juli 2017). Hämtad 21 maj 2018. Arkiverad från originalet 22 maj 2018.
  16. ↑ TP: Der Glasfaser-Schallwandler . Hämtad 4 december 2005. Arkiverad från originalet 21 augusti 2011.
  17. ↑ Lopez N. ., Sequeira F. ., Gomez M. S., Rogerio N. N., Bilro L. ., Zadorozhnaya O. A., Rudnitskaya A. M. Fiberoptisk sensor modifierad genom molekylärt präglad polymerympning för detektion av ammonium i vattenhaltiga medier  // Journal "Scientific bulletin för informationsteknik, mekanik och optik". - 2015. - Nr 4 . — ISSN 2226-1494 . Arkiverad från originalet den 8 juli 2015.
  18. ↑ Forsknings- och produktionsföretag "Optolink": Nyheter . Hämtad 17 juni 2013. Arkiverad från originalet 18 juni 2013.

Litteratur

Länkar


  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk