Оптоволокно

Жмут оптичних волосків

Оптоволокно́ або оптичне волокно — це технічний виріб, що складається з оптичного світловоду та захисних покриттів і маркуючої кольорової оболонки.

Оптичний світловод - є фізичним середовищем транспортування оптичного сигналу і складається із серцевини та оболонки, що мають різні величини показників заломлення, це завдяки явищу повного внутрішнього відбиття надає змогу транспортувати оптичні сигнали (світло), котрі генеруються обладнанням до якого підключене оптичне волокно.

Повний опис процесу розповсюдження світла по волоконному світловоду (ВС) дає хвильова електромагнітна теорія. Вона показує, що розповсюджуватись по волоконному світловоду можуть лише ті типи хвиль, що формують у поперечному перерізі ВС резонансну хвилю. Такі типи хвиль утворюють моди хвилеводу. Режим роботи ВС (одно - чи багатомодовий) визначається величиною нормованої частоти V.

Відповідно за режимом роботи ВС поділяють на два основні типи Оптичні Волокна (ОВ)

• Одномодові
• Бвгатомодові

Серцевина оптичного світловоду має різноманітну залежність величини показника заломлення за радіальною віссю світловоду котра називається профілем показника заломлення (ППЗ). Наприклад:

• Світловоди з градієнтним показником заломлення
• Світловоди із ступінчастим профілем показника заломлення.

Якщо 0< V< 2,4048, у волокні зі сходинковим профілем показника заломлення виконується одномодовий режим

Волоконна оптика — розділ прикладної науки і машинобудування, що описує такі волокна. Оптоволокна використовуються в оптоволоконному зв'язку, який дозволяє передавати цифрову інформацію на великі відстані і з вищою швидкістю передачі даних, ніж в електронних засобах зв'язку. У ряді випадків вони також використовуються при створенні давачів .

Відповідно до фізичних властивостей оптоволокна необхідні спеціальні методи для їх з'єднання з устаткуванням. Оптоволокна є основним елементом для різних типів волокнно-оптичнихкабелів, залежно від того, де вони використовуватимуться.

Принцип передачі світла усередині оптоволокна був вперше продемонстрований за часів королеви Вікторії (1837—1901), але розвиток сучасних оптоволокон почався в 1950-их. Їх почали використовувати в зв'язку дещо пізніше, в 1970-их; з цього часу технічний прогрес значно збільшив діапазон застосування і швидкість поширення оптоволокон, а також зменшив вартість систем оптоволоконного зв'язку.

Історія

Провадження світла вздовж тонкої силиконової волосини відповідно до закону заломлення, що вперше продемострував Даніель Колладон та Джакіз Бабінет на початку 1840-их років у Парижі. Джон Тиндел ввів показові демонстрації у свої громадські лекції у Лондоні десяток років пізніше. Тиндел також писав про властивості цілковитого внутрішнього віддзеркалення у своїй ознайомчій роботі про природу світла в 1870 році:

«

Коли світло проходить у напрямку із повітря у воду, то заломлений промінь зміщується у сторону перпендикуляра... У випадку коли кут утворений променем у воді та перпендикуляром до поверхні є більший 48 градусів, то світловий промінь не покине середовище води взагалі: він буде повністю заломлений на лінії розділу двох середовищ. Кут, що обмежує границю цілковитого внутрішнього віддзеркалення, називається кутом повного внутрішнього відбиття середовища. Для води він становть 48°27'., для флінтового скла —- 38°41', а для алмазу —- 23°42'

»

Практичні застосування, такі як напрямлене освітлення у ротовій порожнині під час стоматологічних процедур, появилися на початку ХХ століття. Передача зображень по трубках була продемострована незалежно радіоекспериментатором Кларенс Ханселом та телевізійним першепроходцем Джоном Логі Бейрдом у 1920 роках. Цей ефект вперше був застосований для внутрішнього медичного обстеження Гайнріком Ламмом протягом наступної декади. У 1952 році фізик Нерайндер Сайнг Капані провів експеремент, що призвів до винаходу оптичного волоска. Сучасне оптоволокно, де скляна волосина поміщена у прозору оболонку із метою приведення коефіцієнту відбиття до практичного рівня використання, появивилося на світ пізніше. Після цього всі розробки сконцентрувалися на жмутах оптичних волосків пристосованих для передачі зображення. Перший оптичний напівгнучкий гастроскоп був запатентований у 1956 році Безілем Айзек Хиршовицим, Сі Уілбер Пітерзом, та Лоренцом І Куртізом, які були дослідниками Університету Мічігану. У процесі розробки гастроскопу, Куртіз застосував скляний волосок в оболонці впреше. Перші зразки оптоволокна покладалися на повітря та непрактичні олії і віск, як оболонку із низьким показником заломлення. Ціла низка інших застосувань по передачі зображень появилися незабаром.

Жан Даніель Колладон вперше описав «світловий фонтан» чи «світлову люльку» у статті в 1842 році під заголовком «Щодо віддзеркалення променів у середені параболічного потоку рідини». Ця популярна ілюстрація походить із пізнішого допису від Колладона у 1884 році.

Використання оптоволокна для телекомунікаційних цілей було впреше винайдено у Західній Європі на прикінці 19-ого та на початку 20-ого століття, на зразок діагностики лікарем шлунку пацієнта та зв'язку у межах короткого радіусу. Особливо примітно, що передача забражень оптоволосками набула популярності на початку 21 століття по причині збільшення попиту у медичній та телевізіній галузях.

Також гомонілося, що японський вчений від Тохоку Університету Юн-ічі Нішазава запропонував вжиток оптичного волокна у сфері зв' язку ще у 1963 році, як відзначалося у книжці надрукованій 2004 року в Індії. Нішазава винайшов інші технології, що сприяли вдосконаленню оптоволоконих комунікацій у більшій степені. Він пізніше відкрив оптичні градієнтні волоски, як канал передачі світла від напівпровідникового лазера.

Вирішальний момент стався десь 1965 року, коли Чарльз К. Коу та Джордж А. Гокхем від британської компанії Стандарт Телефонс енд Кейблс вперше просунули ідею зменшення загасання в оптоволокні до показника нижчого від 20 dB/km, таким чином ввівши оптичні кабелі у зону практичного застосування як телекомунікаційних мідіа. Вони стверджували, що загасання швидше спричнинялося домішками, здатними бути вилученеми у волокні доступному в цей час, аніж фундаментальним фізичним законом розсіювання. Вони правильно та послідовно теоритизували про зміну властивостей світла у середовищі оптичного волоска, та підсказали вірні матеріали для його виробництва —- кварцове скло із високим показником чистоти. Це відкриття привело Коу до отримання Нобелівської Премії в області фізики у 2009 році.

Принциповий рівень загасання у 20 dB/km був досягнутий вперше в 1970 році дослідниками Робертом Д. Морером, Дональдом Кеком, Пітером С. Шульцом, та Франком Зімаром, що працювали в американській скловарні «Корнік Ґлес Уорк». Тепер це підприємство називається «Корнік Інкорпорейтед». Вони продемострували волосок із рівнем затухання у 17 dB/km, у якому кварцове скло утримувало домішки титану. Декількома роками поспіль, вони створили оптоволокно з рівнем загасання в 4 dB/km, використовуючи діоксид германію за основу домішки. Настільки низьке загасання придало імпульсу телекомунікаціям з використанням оптичного волокна, та зробило Інтернет доступним. В 1981 році Дженерал Електрик випустив сплавлнеий злиток кварцу, що був придатним витягуватися в нитку довжиною 40 km.

Загасання в сучасному оптоволоконому кабелі є значно менше, ніж у мідному електричному, що вплинуло на розвиток ліній телекомунікаційних передач довжиною 70-150 км. Оптоволоконий підсилювач з домішками ербіуму, що суттєво зменшує вартість оптоволоконих систем великої довжини шляхом зменшення або, навіть дуже часто, цілковитого вилучення із схеми оптико-електронних повторювачів, був розроблений Девідом Н. Пейном з Університету Саусхамтона та Емануелем Дезервіром із Бел Лабс у 1986 році. В досконалому волокні застосування якісного скла для серцевини та оболонки підвищує стійкість до процесів старіння. Винахідник Герхард Берніз, хто звернува на це увагу, в 1973 році був задіяний німецьким підприємством Скот Глес.

В 1991 році із перспективного щойно проявленого технологічного напрямку фотонних кристалів, було започатковано розробку одноіменних волосків, що проводили світло завдяки дифракційним явищам на періодичній структурі матеріалу швидше, ніж шляхом повного внутрішнього відбиття. Перше фотонне кристалічне волокно стало комерційно доступним у 2000 році . Таке оптоволокно є більш потужним ніж звичайне, та його світлопровідні частотні властивості можуть бути контрольовані за потребою із метою покращення ефективності певних застосувань.

Принцип роботи оптичного волокна

Структура

Структура типового одномодового волокна.
1. Серцевина: 8 µm діаметр
2. Оболонка: 125 µm діаметр
3. Буфер: 250 µm діаметр
4. Обшивка: 400 µm діаметр

Оптичний волосок — це циліндричний діелектричний хвилевід, що передає світло від одного до другого кінця усієї своєї довжини завдяки фізичному явищу повного внутрішнього відбиття. Волосок складається із серцевинного та оболонкового шару, які виготовленні із матеріалів, що забезпечуютья утримування світла всередині кабелю. Для забезпечення функціюнування даної системи діелектриків, необхідно мати коефіцієнт заломлення серцевини більший, аніж оболонки. А також, границя двох середовищ може бути обривчастою, як у ступеньчастих волокон, чи зглаженою, як у градєнтих волокон.

Структура оптоволоконного кабелю дуже проста й схожа на структуру коаксіального електричного кабелю. Проте, замість мідної серцевини тут використовується тонке скловолокно, а замість внутрішньої ізоляції —- скляна або пластикова оболонка, що не дозволяє світлу виходити за межі збірки. У цьому випадку мова йде про режим так званого повного внутрішнього відбиття світла від границі двох речовин із різними коефіцієнтами заломлення (у скляної оболонки коефіцієнт заломлення значно нижче, ніж у центрального волокна).

Вплив коефіцієнту заломлення

Коефіцієнт заломлення — це співвідношення швидкостей світла у вакуумі та матеріалі, до якого належить даний коефіцієнт. Промінь світла подорожує у вакуумі найшвидше за все зі швидкістю, близькою 300000 км/сек, а у діелектрику — повільніше. Це залежить від властивостей матеріалу. Тому показник заломлення для складових оптоволокна завжди більший одиниці. Типове значення коефіцієнту заломлення для оболонки складає 1.46, а для серцевини — 1.48. Чим більший показник заломлення в речовині — тим швидкість променю в ній нижча. Із вищезгаданого очевидно, що оптичний комунікаційний сигнал буде проходити приблизно 200 000 км/сек. Або, якщо сформулювати по-іншому: 1000 кілометрів сигнал пройде за 5 мсек.

Щодо повного внутрішнього відбиття

Траєкторія несучої світлового променя в оптичній волосині.

Коли промінь що подорожує у густому мідіумі натикається на перешкоду під стрімким кутом (більшим ніж критичний для даного матеріалу), то світло буде повністю віддзеркалене. Цей ефект використовується в оптичному волокні для утримування світлового випромінення у межах його серцевини. Воно просуваєтья вздовж волоска, відбиваючись вперед та назад від границі розділу двох складових кабелю. По причині того, що промінь повинен вдарити межу розділу під певним нахилом, що є більшим за критичний кут, то тільки світло, яке увійшло у систему у межах певного діапазону напрямків, може пройти через все волокно без просочування за його межі. Вказаний діапазон напрямків називається конусом отримування волокна. Розмір конусу отримування є функцією різниці індексів заломлення матеріалів серцевини та оболонки оптичної волосини.

Іншими словами, існує максимальний кут відносно осі оптоволокна під яким світловий промінь може увійти у середовище кабелю, та просунутися вздовж його серцевини. Синус максимуму цього кута є цифровою апертурою (NA) волокна. Волокно із великим NA не потребує високої точності його зрощування, та може може функціюнувати із іншим волокном, що має малий NA. Одномодові оптичні волоски мають незначний NA.

1. кут падіння та відбиття - $\theta_{\mathrm c} = \arcsin\left(\frac{n_2}{n_1}\right)$
2. цифрова апертура - $NA = \sin \theta_{\mathrm{max}} = \sqrt{n_1^2-n_2^2}.$

Типи оптоволокна

Одномодове волокно

Розповюдження світлових променів через одномодові оптичні волоски.

Оптичні волоски із діаметром серцевини розміром приблизно одної десятої довжини несучої світлової хвилі, не можуть бути змодельованими використовуючи теорію геометричної оптики. Натомість, вся структура має бути розглянута із точки зору класичної електродинаміки, застосовуючи формули Максвела, що приведені до розвязку рівняння розповсюдження електромагнітних коливань. Також, такі фізичні явища як спекли, що виникають за рахунок пропагації когерентного випромінення у багатомодових волокнах, теж мають бути обгрунтовані як наслідок теорії Максвела. Назразок оптичного хвилевода, волосок підтримує один чи де-кілька локалізованих поперечних режимів, у границях яких світло просувається вздовж. Волокно, що працює тільки в одному режимі, називається одномодовим, чи мономодовим. Поведінка оптичних волосків із значним розміром серцевини теж може бути змодельована за допомогою хвильових рівнянь, що у результаті демонструє їх здатність до пропускання світла у кількох режимах, або модах. Звідси походить і назва типів оптоволокна. Коли серецевина волоска достатньо велика для забезпечення пропагації світлових променів у кількох модах, то математичні розрахунки згідно з теоріями Максвела і геометричної оптики приблизно збігаються.

Аналіз хвилевода показує, що промениста енергія у волокні не повністю зосередженна у межах серцевини. Натомість, найбільш характерним для одномодових світловодів, значна її порція подорожує у привязаній моді у середовищі оболонки як еванесцентна хвиля.

Найбільш розповсюджений тип одномодового волокна має діаметер серцевини 8-10 мікрометрів та спроектований для використання світла близького до інфрачервоного діапазону спектру. Структура моди залежить від довжини хвилі світла, яке задіяне у процесі роботи, таким чином волосок фактично підтримує незначну кількість додаткових мод у видимій частині спектру світла. Багатомодове оптоволокно, для порівняння, виготовленно із діаметром центральної жили поперечного розміру що найменьше ніж 50 мікрометрів, та що найбільше сотні мікрометрів. Нормалізована частота V для волоска має бути не більше ніж нульовий член степеневого ряду функції Бесселя J₀ (приблизно 2.405)

Багатомодове волокно

Розповсюдження світлових променів через багатомодові оптичні волоски.

Оптичне волокно із великим діаметром серцевини (більше 10 мікрон) може бути розраховане за допомогою методів геометричної оптики. Таке волокно називається багатомодовим. Ступінчасте багатомодовое волокно проводить промені світла вздовж серецевини завдяки ефекту повного внутрішнього віддзеркалення. Промені, що падають на межу розділу компонентів волоска під стрімким кутом, більшим ніж кут повного внутрішнього відбиття, зазнають цілковитого дзеркального відображення. Промені що стикаються із границею під малим кутом заломлюються у напрямку від серцевини до оболонки, а далі поглинаються і не передають інформацію. Значна цифрова апертура робить можливим світлу пропагуватися впродовж волокна завдяки променям, що розташовані близько до осі, а також під різноманітними кутами, дозволяючи ефективне компонування пучка випромінення у світловоді. Проте попривсе, ця цифрова апертура збільшує дисперсію, оскільки промені що подорожують під різними кутами проходять відрізки шляху різної довжини. Це, у кінцевому результаті, впливає на кількість часу необхідного для перетину загальної заданої довжини кабелю.

Градієнтне волокно

Розповсюдження світлових променів через градієнтні оптичні волоски.

У градієнтному волокні коефіцієнт заломлення у серцевині зменшується поступово від осі до зовнішньої стінки волокна. Це змушує промені світла вигинатися дугою при наближенні до оболонки, на відміну від несподіваного віддзеркалення на межі розділу компонентів волоска. Як наслідок, дугоподібний шлях просування зменшує багатовекторну дисперсію розповсюдження, тому що промені під значними кутами проходять через ділянку серцевини із малим показником заломлення швидше, ніж під великим. Профіль градієнту заломлення вибирається так, щоб мінімізувати різницю між продовжною швидкістю пропагації променів різної векторної направленості у волокні. Ідеальний профіль градієнту заломлення є дуже близький до параболічного при співвідношенні самої величини та відстані до осі.

Поляризаційно-стабільне волокно

Поляризаційно-стабільні волокна мають спеціальні застосування, як оптоволоконе зондування, інтерферометрія та розповсюдження квантумних кодів. Загальноприйнятно, що вони також використовуються для сполучення лазерного джерела світла та модулятора, оскільки сам модулятор вимагає подачі поляризованого світла. Проте, для звя'зку на довгих відстаннях поляризаціно-стабільні волокна не експлуатуються, через підвищений рівень загасання сигналу в порівнянні із одномодовими волокнами.

Поляризаційно-стабільне оптоволокно не поляризує світло на зразок поляризатора. Скоріше, воно утримує існуючу поляризацію лінійно поляризованого світлового променя, що заживлений у волокно за умови правильної орієнтації. Якщо поляризація вхідного світлового потоку не налаштована до ладу із добре вираженим пропуским напрямком в самому волоску, то вихідний сигнал буде визначатися в межах лінійної та кругової поляризації. Такі параметри подачі світла дають на виході еліптичну поляризацію в загальному випадку. Проте, точні її характеристики залежатимуть від зміни температури та стресу оптоволокна.

Фотонно-кристалічне волокно

Фотонно-кристалічне оптоволокно — новий клас оптичних світловодів, які працюють завдяки властивостям фотонних кристалів. Через неможливість локалізування світла в порожнині пустотілої серцевини та відсутність будь-яких схожих властивостей в традиційному оптоволокні, фотонно-кристалічні світловоди зараз набувають широкого застосування в оптичних комунікаціях, волоконних лазерах, нелінійних оптичних пристроях, трансляції високої потужності, надчутливих газових давачах та інших пристроях.

Фотонно-кристалічні волокна поділяються на дві категорії згідно механізму взаємодії із світлом. Ті, що мають суцільну серцевину, чи серцевину із показником заломлення вищим, ніж мікроструктурнаоболонка, можуть оперувати згідно того самого принципу, що і звичайне оптоволокно. Проте, вони матимуть значнішу різницю показників заломлення серцевини та оболонки, що сприятиме ефективнішій локалізації випромінення у випадку нелінійних оптичних пристроїв. Інша категорія — це волокно із фотонно-спектральним зазіром, в якому світло утримується завдяки мікроструктурній оболонці. Якщо спектральний зазір підібраний правильно, то світловим потоком можна керувати в частині серцевини із низьким показником заломлення, або навіть цілковито постотілій, заповненій повітрям. Спектрально-зазірні волокна із відсутньою серцевиною потенційно можуть вирішити проблему, створену обмеженнями доступності необхідних матеріалів для виготовлення світловода. Для прикладу, можна створити волокно, що провадить світло із довжиною хвилі, для якої прозорі матеріали відсутні. Ще одне потенційно важливе застосування — динамічне вприскуванння речовини у волосок. В такий спосіб можна аналізувати присутність якоїсь субстанції у вибраному зразку.

Природа загасання

Загасання світла через ZBLAN та діоксид кремнієве оптоволокно.

Загасання —- це зменшення інтенсивності світлових променів у волосках відносно відстанні перетнутої ними у середовищі передачі. Коефіцієнт загасання в оптоволокні за звичай використовується в одиницях dB/km, завдячуючи відносно високій прозорості сучасного оптичного медіуму. Як правило, ним виступає кварцовий скляний волосок, що утримує захвачене проміння у границях свого фізичного тіла. Загасання —- є основний фактор, обмежуючий просування цифрового сигналу на великі відстанні. Недивно, основна маса досліджень була проведена у зв'язку із намаганнями зменшення його впливу, та посиленням оптичного сигналу. Емпіричний аналіз показав, що загасання в волосках виникає із-за розсіювання та поглинання.

Розсіювання світла

Розсіювання світла залежить від довжини світлової хвилі. Таким чином, виникають зони видимості на шкалі просторових координат відліку, що залежать від частоти падаючого променю та фізичних розмірів агенту розсіювання, який зазвичай предстає у вигляді якоїсь мікроструктури. Оскільки видиме світло має розміри довжини хвилі в одиницях мікрометрів, то центр дифузного відбиття повинен мати розміри співставимої величини.

Отже, причина загасання — це розсіювання світла, створеного внутрішніми поверхнями та границями розділу речовин. У кристалічних матерілах, таких як метали та кераміка, на додаток до пор на внутрішніх поверхнях та границях розділу, існують також нерегулярності у вигляді гранул. Недавно було продемостровано, що коли розмір центру розсіювання менший величини довжини хвилі розсіюємого світла, то показники величини дифузного відбиття більше не мають практично значення. Цей феномен дав початок виробництву прозорих керамічних матеріалів.

Дифузне відбиття світла.

Аналогічно, розсіювання світла на матеріалах класу оптичних волокон спричиняється нерегулярностями на молекулярному рівні, або по-іншому флуктуаціями структурної будови скла. Справді, одна із свіжих теорій стверджує, що скло — це ніщо інше, як обмежений випадок полікристалічного тіла. У межах даної викладки, наріжні домени локального групування предстаються структурними блоками як металів та сплавів, так і скла та кераміки. Розподілені як всередині, так і назовні цих доменів мікроструктурні дефекти, що і породжують найбільш ідеальні місця випадків дифузного відбиття. Цей самий ефект розглядається і як один із обмежуючих факторів прозорості інфра-червоних куполів для головок ракет.

У діапазоні значної потужності оптичного потоку, розсіювання може спричинятися також нелінійними процесами у товщині оптоволокна.

Ультрафіолетове та інфрачервоне поглинання.

На додаток до дифузного відбиття, втрата сигналу може бути спричинена вибірковим поглинанням певних частот на зразок того, як при розсіюванні з'являються кольори. Основні факти аналізу включають наступне.

• На електронному рівні існує залежність від параметрів їх орбіт у розумінні здатності поглинати фотон певної довжини хвилі в ультрафіолетвовму чи видимому діапазонах. Це те, що є першопричиною поняття кольорів.
• На атомному чи молекулярному рівнях, все залежить від частот їх коливань або коливань хімічних зв'язок, наскільки близько атоми чи молекули спаковані докупи, а також чи здатні вони проявляти довгу ланцюгову структуру. Ці характеристики уособлюють здатність матеріалу передавати довгі інфрачервоні, радіо-, чи мікрохвильові електромагнітні коливання.

Будова будь-якого оптично прозорого пристрою потребує вибору матеріалів, обгрунтованого на основі знань їх потенційних обмеженнь. Характеристики кристалічної решітки, що спостерігаються на довгохвильових інтервалах, визначають низькочастотну границю смуги пропускання матеріалу. Вони є результатом інтерактивного співвідношення руху термічно збудженої множини атомів чи молекул тіла та падаючої світлової радіації. Звідси, всі матеріали обмежені поглинанням спричиненим атомними та молекулярними коливаннями

Таким чином, мультифононне розсіювання проявляється, коли два чи більше фонони одночасно діють, продукуючи електричний дипольний момент, який взаємодіє із падаючою променистою радіацією. Ці диполі, звісно, відбирають енергію світлового опромінення, досягаючи максимуму впливу, при частоті світла променів співпадаючих із основною складовою вібрацій молекулярного диполя у далекому інфрачервоному діапзаоні, чи одної із їх гармонік.

Вибіркове поглинання інфрачервоного світла певним матеріалом проявляється завдяки співпаданню де-якої складової частоти загальної спектральної смуги світла із частотою коливань елементів кристалічної решітки чи молекулярної структури тіла. Оскільки їм притаманна розмаїта природна частота коливань, то звідси походить селективна здатність поглинати різну променисту енергію, або фрагмент спектра.

Відбиття чи пропускання оптичних хвиль проходить тільки завдяки існуванню різниці між світловими коливання та резонантними частотами вібрації елементів матеріалу.

Виробництво

Матеріали

Скляне оптоволокно майже завжди виробляється із діоксиду кремнію, проте де-які інші матеріали, як флуорид цирконію, алюмінію та халькогеніди, а також кристалічні матеріали на зразок сапфірів, теж використовується для довгохвильових інфрачервоних та інших специфічних застосувань. Діоксид кремнієве та флуоридне скло за звичай має коєфіцієнт заломлення десь біля 1.5, але де-які інші матеріали можуть досягати цього показника аж до 3. Типово, різниця цих величин матеріалів серцевини та оболонки волоска є меншою одного процента. Пластикове оптоволокно береться за основному виготовлення ступіньчатих мультимодових волосків із діаметром серцевини 0.5 мм, чи більше. Пластикове волокно демонструє більший коєфіцієнт загасання у порівняні із скляним, десь на рівні 1 dB/m чи більше. Такий показник є обмежуючим фактором у прикладних системах на базі волосків із цього матеріалу.

Діоксид кремнію

Діоксид кремнію проявляє досить добрі характеристики пропускання світла в об'ємі широкої смуги променистого випромінення. У царині близького інфрачервого спектру, десь біля 1.5 мікрометрів, діоксид кремнію має дуже малу складову поглинання та розсіювання, на рівні 0.2  dB/km. Висока прозорість діапазону 1.4 мікрометрів досягнута завдяки малій концентрації гідроксильних груп (ОН). Відповідно, висока концентрація гідроксильних груп покращує передачу сигналу із використанням ультрафіолетових хвиль

Діоксид кремнію також добре витягується у волокно при відносно невисокій температурі, та має прийнятні показники склування. Іншими первагами є спаювання та колення. Такі скляні волоски також витримують значні механічні деформації згину та розтягу, зауваживши що жила не дуже товста та поверхня добре підготовлена під час обробки. Навіть звичайнісінький злом кінця волокна може створити гарну плоску поверхню із прийнятними оптичними показниками. Діоксид кремнію — відносно хімічно інертний матеріал, та не є гігроскопічним.

Кремнієве скло може бути леговане розмаїтими матеріалами. Одним із намірів легування є мета збільшення індексу заломлення. Наприклад, для цього використовується діоксид германію чи оксид алюмінію. Навпаки, для зменшення цього індексу може використовуватися фтор чи оксид бору. Легування іонами, здатним генерувати когерентне випромінення, дозволяє отримати активне волокно, що застосовуватиметься як підсилювач або лазер. Зазвичай обоє, серцевина та оболонка, легюються, так-що по-суті є тотожними сполуками: алюмосилікатом, германосилікатом, фосфоросилікатом чи боросилікатним склом.

Як виключення, для активного волокна чисте скло — не дуже підходящий утримувач, тому що воно має низьку розчинність для лужноземельних іонів. Це може стати завадою із огляду на їх роювання. Алюмосилісат є більш підходящим у цьому випадку.

Діоксид кремнієве волокно анотує високий поріг оптичного пошкодження. Така властивість підкріплює низьку тенденцію до розпаду під впливом когерентної індукції. Це важливо для волокнонних підсилювачів особливо у застосуваннях короткої пульсації.

Флуориди

Флуоридне скло — це безоксидний клас скла оптичної якості, що складається із флуоридів розмаїтих металів. У зв'язку із їх низькою в'язкістю, дуже важко повністю уникнути кристалізації під час процесу обробки, як, наприклад, витягування із пластичної заготовки. Таким чином, навіть якщо флуоридне скло важких металів (ФСВМ) проявляє дуже незначне оптичне загасання, його все-таки складно виготовляти, є надзвичайно ламкими і йому властива гігроскопічність. Найкращим показником є відсутність смуг поглинання пов'язаних із гідроксильним групами, котрі мають місце буквально у всякому оксидному склі.

Прикладом флуоридного скла важких металів є група ZBLAN-скла, що складається із флуоридів цирконію, барію, лантану, алюмінію та натрію. Їх основним технологічним застосуванням є отичний хвилевід у планарній та волоконній формах. Вони особливо сприятливі у центральній ділянці інфрачервоного діапазону від 2000 до 5000 nm.

ФСВМ початково було задуманим для використання в оптичних хвилеводах, тому що їх специфічні втрати у волокні працюючому у середині інфрачервоної смуги нижчі діоксиду кремнію, котре прозоре лише біля 2 мікрометрів. Однак, такі малі втрати ніколи не були використані на практиці, та ламкість і значна вартість флуоридних волосків не зробила їх ідеальними кандидатами. Пізніше була винайдена придатність цих волокон до реальних застосувань у других сферах. Такими є інфрачервона спектроскопія середньої ділянки смуги, волоконно-оптичні давачі, термометрія та обробка зображень. Також, флуоридові волоски можуть бути використані як медійні світловоди для ітріум-алюміній-гранатового (YAG) лазера на довжині хвилі 2.9 мікрометрів, що вимагається для медичних застосувань, для прикладу в офтальмології та стоматології.

Фосфатне скло

The P₄O₁₀ кліткоподібна ґратка — основна структурна одиниця фосфатного скла.

Фосфатне скло є представником класу оптичного скла, що складається із сполук метафосфатів різномаїтних металів. Замість SiO₄-тетраедра, що спостерігається у діоксидно кремнієвому матеріалі, основними елементами структури якого є оксид фосфору (P₂O₅), що кристалізується у чотирьох відмінних формах. Найвідомішою є поліморфічна форма за участю молекули P₄O₁₀.

Процес

Стандартне оптичне волокно виготовляється спочатку шляхом створення заготовки із ретельно контрольованою величиною показника заломлення, а потім волосок утворюється із неї шляхом витягування у довгу нитку. Типово заготовка робиться завдяки трьом процесам хімічного осадження: внутрішнє, зовнішнє та осьове осадження випарів.

У випадку внутрішнього осадження випарів, заготовка будується як порожниста скляна трубка довжиною приблизно 40 cm, котра розміщується горизонтально і повільно провертається на станку. Гази, такі як хлорид кремнію (SiCl₄) чи хлорид германію (GeCl₄), впорскуються із киснем з одного кінця трубки. Потім вони прогріваються за допомогою зовнішньої водневої горілки, піднімаючи температуру випарів до 1900 К (1600 °C, 3000 °F), у наслідок чого тетрахлориди реагують із киснем, продукуючи частинки діоксиду кремнію чи оксиду германію відповідно. Коли умови хімічної реакції підібрані таким чином, що процес протікає в об'ємі газової субстанції всієї трубки, на відміну від методу де реакція проходить тільки на поверхні трубки, то такий спосіб виготовлення називається модифікованим хімічним осадженням випарів.

Ілюстрація осадження хімічних випарів.

Оксидні частинки, що агломеруються у довгі молекулярні ланцюги, потім осідають на стінках трубки на зразок сажі. Осадження можливе завдяки великій різниці температур газоподібної серцевини та оболонки трубки, що проштовхує молекули оксидів. Цей процес відомий як термічна дифузія. Згодом горілка пересувається вперед та назад по довжині заготовки, щоб осадити матеріал рівномірно. Наступним кроком є підвищення температури трубки по всій її довжині до межі, коли осадження плавляться для того щоб кристалізуватися у твердий шар. Цей цикл повторюється до тих пір, поки не буде досягнута достатня кількість оксидів. Для кожного прошарку звісно можна змінювати елементи та концентрацію складових, що призведе до точнішого контролю остаточних показників оптичного волокна.

У випадку зовнішнього осадження випарів скло формується гідролізом полум'я. Це реакція, під час протікання якої тетрахлориди кремнію і германію окислюються взаємодією із водою шляхом горіння гримучого газу. Зовнішнє осадження скла відбувається на щільний прут, котрий переустановлюється перед подальшою обробкою.

У випадку осьового осадження випарів скло надбудовується на кінці короткого пористого ядра у виглді прута, на довжину якого не впливає розмір стрижня, що є джерелом матеріалу. Далі, пориста форма трансформується у твердотілу заготовку шляхом нагрівання температури близької 1800К.

Отримана таким шляхом заготовка встановлюється у витяжну башту, де після нагрівання її кінця до температури плавлення оптичний волосок отримується як нитка шляхом витягування. Вимірюючи кінцевий поперечний розмір волокна, напругою розтягування контролюється його товщина.

Ґрунтовка

Світлові промені направляються по серцевині волокна і за допомогою оболонки утримуються там завдяки повному внутрішньому віддзеркаленню.

Оболонка у свою чергу ґрунтується буфером, що оберігає її від вологи та фізичних ушкоджень. Під час колення чи зрощення волоска зачищається саме буфер. Саме ця ґрунтовка на основі композиту етилуретан-акрилату наноситься на волокно із зовні під час процесу витягування та консервується ультрафіолетовим світлом. Ґрунтовка оберігає дуже делікатні пасма скляних волокон, десь за розміром людської волосини, та дозволяє їм пройти через суворі стадії обробки, як зондування, укладання та монтаж.

На сьогоднішній день у виробництві оптоволокна ґрунтування виконується подвійним нашаруванням. Внутрішня основна плівка призначенна для поглинання механічного стресу та зменьшення згасання спричиненого мікродеформаціями. Зовнішня плівка покриває основну і виступає бар'єром механічних навантажень, що спричиняються дією бокових сил. Деколи, додається також металічний прошарок для бронювання.

Прошарки ґрунтовки оптичних волокон виконуються під час витягування на швидкості десь біля 100 кілометрів на годину. Покриття оптоволокна можливе одним із двох методів: «мокрий-на-сухо» та «мокрий-на-мокрий». У випадку «мокрий-на-сухо» волосок піддається основній обробці, а потім ультрафіолетовому консервуванню і наступному проходу обробки. У другому випадку «мокрий-на-мокрий» волоск покривається основним і допоміжним шаром, і тільки після цього — ультрафіолетовому консервуванню.

Оптоволоконне ґрунтування виконується у вигляді концентричного нашарування для попередження пошкодження волосків під час витягування, а також для підсилення міцності та опору мікродеформаціям згину. Нерівномірно покритий оптоволосок піддаватиметься неоднорідним силам розширення та звуження, а сигнал — більшому згасанню. При умові дотримання відповідних показників при витягуванні та грунтовці, покриття є концентричним навколо волоска, беззупинним по його довжині та постійним по товщині.

Покриття оптоволокна захищає скляні волосини від подряпин, які знижують пружність. Комбінація вологи і подряпин прискорює процеси старіння і зношування. Втомлюваннясть волокон також характерне за умов низьких нагрузок, але протягом довгого часу. Час та екстремальні умови експлуатації спричиняють мікроскопічні перешкоди у світловоді під час розповсюдження світла, котрі узагальнено призводять до вади.

Три ключові характеристики волоконного світловода піддаються впливу сторонніх факторів: пружність, згасання, стійкість до втрат мікрозгину. Зовнішнє покриття оптоволокна захищає скляну волосину від стороннього впливу, що здатні погіршити показники експлуатації та довготривку стійкість. Внутрішнє покриття підтримує надійність передачі несучої та зменшує згасання спричинене мікрозгинами.

Особливості вжитку

Оптоволоконні кабелі

У практичному використання оптоволокна оболонка ґрунтується тривкими смолами буферного прошарку, який також може бути загорнутий у захисний шар. Ці прошарки добавляють міцності волоскам, але не впливають на оптичні якості хвилевода. Вимогливі оптоволоконні зборки де-коли включають світлопоглинаюче скло між окремими пасмами для запобігання просочуванню світла із одного каналу передачі у інший. Це зменшує взаємні перешкоди, та знижує спалахи у жмутах волокон при передачі зображень.

Сучасні кабелі будуються вживаючи широкий асортимент захисних прошарків і обшивок, орієнтовані для прокладки у канавах, високовольтної ізоляції, експлуатації у вигляді лінії траспортування енергії, установки у трубопроводах, монтажу на телефоних стовпах та субмаринах, вживлення в асфальтовані вулиці.

Волоконний кабель може бути дуже гнучким, проте традиційно втрати збільшуються помітно, коли воно зігнуте під радіус меньший ніж 30 мм. Це створює проблеми при укладці навколу кутів чи намотуванні на котушку, ускладнюючи остання миля, FТТx установку. Гнучкі кабелі, призначені для монтажу в домашніх чи офісних умовах, були стандартизовані під кодовим позначенням ITU-T G.657. Цей тип волокна може бути зігнутим радіусом щонайменше 7.5 мм без якого-небудь ефекту. Навіть більш гнучкі волокна вже були розроблені. Згин кабелю також може бути стійким до взлому, під час якого зловмисник шпигує, зігнувши волосину та виявивши просочування.

Ще одна важлива властивість – це стійкість до горизонтальних деформацій. Такий термін практично позначає граничну міцність розтяжки кабеля при укладанні. Де-які оптичні кабелі армовані із aramid чи скляною пряжею, як опосередкованого елемента міцності. Скляна пряжа також захищає кабель від гризунів та термітів.

Чіпкування та зрощення

Оптичні кабелі під'єднанні до кінцевого обладнання за допомогою оптоволоконних рознімів. Такі розніми є стандартнмими типами к FC, SC, ST, LC, MTRJ чи SMA, що спроектовані для підвищенних нагрузок передачі потужності.

Оптичні кабелі можуть бути з'єднані однин із одним за допомогою рознімів чи зрощення, що у кінцевому результаті створює безперервний оптичний хвилевід. Прийнятним методом зрощення є дугове зварювання, котре плавить кінець волокна за допомогою електричної дуги. Для з'єднання на швидкоруч використовується механічний спосіб.

Зрощування спаюваннями виконується спеціалізованими інструментами, що типово застосовуються наступним чином. Заківки двох волосин закріплюються всередині пристрою, який оберігає зрізи. Далі вони зачищаються від захисного полімерного буфера, так само як і їх обшивки. Крайня частина волокон колеться за допомогою точного обрізного механізму для забезпечення перепендикулярності площин зрізу, після чого вони поміщаються у спеціальні зажими для безпосередньо самого зрощення. З'єднання за звичай контролюється через екран збільшеного зображення для перевірки надрізів до і після процедури. Зрощувач використовує спеціальний малий двигун для позиціювання заківок волокон навпроти одне одного, а потім наводить електричний розряд між електродами та зазіром волокон для вилучення вологи та забруднень. Далі, збільшується потужність електричної дуги, що підвищує температуру до межі, більшої за точку плавлення скла, спаюючи кінці докупи остаточно. Позиціювання енергії розряду обережно котролюється, так що розплавлена серцевина та оболонка не змішуються обмежуючи оптичні втрати. Втрати зрощення вимірюються самим інструментом, шляхом спрямування світла через оболонку та виміру його потоку із іншої сторони. Як правило, показник просочування знаходиться десь біля 0,1 Дб. Складність процесу сполучення двох волоконих кабелів робить цю технологічну процедуру значно трудоємкішою, ніж це саме стосувалося би мідних проводів.

Механічне з'єднання волокон призначене для прискореної та спрощеної установки, проте необхідність зняття обшивки волосини, делікатної зачистки та точного колення все-ще зберігається. Заківки волосин мусять бути укладені разом із допомогою спеціально виготовленого патрубка, дуже часто застосовується певний гель, що має деякий завчасно відомий показник заломлення. Такий гель підвищує пропускну спроможність світла через з'єднання. Таким з'єднанням притаманний підвищений рівень оптичних втрат, та вони є менш стійкими у порівнянні із зрощенням спаюваннями особливо при використанні смол. Кожний згаданий метод включає установку коструктивного елементу захисту з'єднання.

Розніми надійно і точно утримують кінець оптоволокна, виконуючи одночасно також і функцію чіпок.Такий оптоволоконний рознім фактично є жорстким циліндром оточеним патрубком, що приєднує інший циліндр за допомогою спеціального гнізда. З'єднуючий механізм може бути виконаним на зразок «заскочки», «засув-з-поворотом» (як багнет) чи «закрутки» (із різьбою). Типовий рознім монтується шляхом підготовки заківки волокна та вставки його із зворотньої сторони. Смола вживається для надійного закріплення волокна, а також компенсатор розтяжки під'єднаний із заду. Як тільки клей застигає, заківка волокна шліфується до зеркального фінішу. Розмаїті профілі поліровки використовуються в залежності від типу волокна та практичного вжитку. Для одномодового волокна заківки за звичай поліруються під незначною кривизною, що заставляє з'єднуючі розніми дотикатися тільки в області серцевин волоска. Такий профіль сполучення називається поліровкою фізичного контакту. Крива поверхня в іншому випадку фінішується під нахилом, для утворення з'єднання кутового фізичного контакту. Сполучення волосків таким чином підвищує втрати на рознімі, але значно зменшує віддзеркалення, оскільки світло що відбивається від похилих поверхонь просочується через серцевину волосини. Остаточна величина втрати сигналу називається втратою прозіру. АРС заківки оптоволокна мають малий показник зворотнього віддзеркалення навіть будучи від'єднаними.

У дев'яностих роках установка чіпок на оптоволокно була досить трудоємкою операцією. Кількість конструктивних елементів на один рознім, поліровка волокна, необхідність температурної обробки смол у печі для кожної заківки ускладнювала таку роботу. Сьогодні багато типів рознімів що продаються на ринку дозволяють робити це саме із значно меншими затратами. Деякі дуже популярні розніми фінішовані ще з виробничої площадки, та включають смолу, як елемент контструкції. Ці дві речі дозволяють зменшити трудові затрати, особливо під час роботи над великими проектами.

Застосування

Оптоволокна широко використовуються для освітлення. Вони використовуються як світлопроводи в медичних і інших цілях, де яскраве світло необхідно доставити в важкодоступну зону. У деяких будівлях оптоволокна використовуються для позначення маршруту з даху в яку-небудь частину будівлі. Оптоволоконне освітлення також використовується в декоративних цілях, включаючи комерційну рекламу, мистецтво і штучні ялинки.

Оптоволокно також використовується для формування зображення. Когерентний пучок, що створюється оптоволокном, іноді використовується спільно з лінзами — наприклад, в ендоскопі, який використовується для проглядання об'єктів через маленький отвір.

Котушки оптоволокна	Волосина світла	Нитка одномодового волокна	Пасма променів	asdf	asdf

Оптоволоконний зв'язок

Оптоволоконна система передачі даних складається з трьох основних компонентів: джерела світла, носія, по якому поширюється світловий сигнал, та приймача сигналу, або детектора. Світловий імпульс приймають за одиницю, а відсутність імпульса — за нуль. Світло поширюється в надтонкому скляному волокні. При попаданні на детектор світла, генерується електричний імпульс. Приєднав до одного кінця оптичного волокна джерело світла, а до іншого — детектор, ми отримаємо однонаправлену систему передачі даних.

Оптоволокно може експлуатуватися, як середовище для передачі великих обсягів закодованої у світлі інформації на значні відстанні. Магіствання оптоволоконного звральні мережі рівня країни і міста майже виключно будуються із використанням оптоволоконних систем зв'язку. Значні переваги застосу'язку для побудови інформаційних мереж задіюються при використанні повністю оптичних комп'ютерних мереж, зв'язку між сегментами мідних комп'ютерних мереж на різних поверхах, будинках, районах, тощо. Впровадження оптоволоконних рішень дозволяє значно збільшити довжину каналу зв'язку та обсяг переданої інформації у порівнянні із медіа на базі металічних провідників. Виняткові властивості оптоволосків по електромагнітній сумісності (EMC) дозволяють будувати лінії зв'язку при наявності значних елетромагнітих полів, а також виступають технічним рішенням для побудування захищенних мереж із кодуванням інформації.

Незважаючи на те, що оптичні волокна можуть бути зроблені із прозорих полімерних матеріалів, широкого застосування набули саме волокна виготовлені зі скла. У мережах зв'язку використовуються одномодові та багатомодові волоски. Застосування одномодових оптоволокон, передавачів, приймачів і з'єднувальних компонентів зазвичай коштують дорожче ніж на базі мультимодових компонентів у наслідок їх технологічних особливостей виготовлення, сфери їх практичного використання, та маркетингового позиціювання.

Оптоволоконний давач

Оптоволокно може бути використане як давач для вимірювання напруги, температури, тиску і інших параметрів. Малий розмір і фактична відсутність необхідності в електричній енергії, дає оптоволоконним давачам перевагу перед традиційними електричними в певних областях.

Оптоволокно використовується в гідрофонах в сейсмічних або гідролокаційних приладах. Створені системи з гідрофонами, в яких на волоконний кабель припадає більше 100 давачів. Системи з гідрофоновим давачем використовуються у нафтовидобувній промисловості, а також флотом деяких країн. Німецька компанія Sennheiser розробила лазерний мікроскоп, що працює з лазером і оптоволокном.

Оптоволоконні давачі, що вимірюють температури і тиск, розроблені для вимірювань в нафтових свердловинах. Оптоволоконні датчики добре підходять для такого середовища, працюючи при температурах, дуже високих для напівпровідникових давачів (Оптоволоконне вимірювання температури).

Інше застосування оптоволокна — як давач у лазерному гіроскопі, який використовується в Boeing 767 і в деяких моделях машин (для навігації).

Оптоволокно застосовується в охоронній сигналізації на особливо важливих об'єктах (наприклад ядерна зброя)^{[Джерело?]}. Коли зловмисник намагається перемістити боєголовку, умови проходження світла через світлопровід змінюються, і спрацьовує сигналізація.

Див. також

• Матеріали оптичні
• Оптичні системи
• Сплайс-пластина
• Як оптичних волокон здійснюється (на відео)

Посилання

• Оптоволоконний кабель

Література

• Gambling, W. A., «The Rise and Rise of Optical Fibers», IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 6, No. 6, pp. 1084-1093, Nov./Dec. 2000
• Gowar, John, Optical Communication Systems, 2 ed., Prentice-Hall, Hempstead UK, 1993 (ISBN 0-13-638727-6)
• Hecht, Jeff, City of Light, The Story of Fiber Optics, Oxford University Press, New York, 1999 (ISBN 0-19-510818-3)
• Hecht, Jeff, Understanding Fiber Optics, 4th ed., Prentice-Hall, Upper Saddle River, NJ, USA 2002 (ISBN 0-13-027828-9)
• Nagel S. R., MacChesney J. B., Walker K. L., «An Overview of the Modified Chemical Vapor Deposition (MCVD) Process and Performance», IEEE Journal of Quantum Mechanics, Vol. QE-18, No. 4, April 1982
• Ramaswami, R., Sivarajan, K. N., Optical Networks: A Practical Perspective, Morgan Kaufmann Publishers, San Francisco, 1998 (ISBN 1-55860-445-6)