Краткий обзор волоконной оптики

Связь на расстоянии прошла долгий путь с первых дней работы телефона. Современные технологии позволяют нам общаться с людьми в любой точке планеты благодаря Интернету. Но что это за технология, которая дает нам эту большую привилегию? Волоконная оптика. Несомненно, вы слышали о волоконной оптике, но что это такое? И как она работает? В этой статье мы разберем, что, почему и как с волоконной оптикой.

Откуда появилась волоконная оптика?

В конце 1960-х годов в Великобритании доктор Чарльз Куэн-Као и его коллега сыграли решающую роль в определении того, что волоконно-оптические кабели той эпохи были непригодными из-за примесей в их стекле. Эти ранние оптоволоконные кабели передавали телефонные и телевизионные сигналы только через световые импульсы в течение примерно 20 метров, прежде чем почти весь свет рассеивался. Но к 1970 году исследователи связи создали сверхчистое оптическое волокно длиной более 800 метров.

Волоконная оптика, напоминающая леску, позднее позволила производить широкополосную связь, биомедицинскую информатику и множество других цифровых приложений. К 2009 году, когда д-р Као получил Нобелевскую премию по физике, было подсчитано, что количество волоконно-оптических кабелей, используемых по всему миру составляет волокно длиной более 600 миллионов миль.

К 2019 году существуют оптоволоконные кабели практически для любых задач и условий эксплуатации. Например, оптоволоконный кабель от DEPS доступен в различных модификациях для прокладки в грунте, канализации, подвешивании между опорами.

Как работает волоконная оптика?

Волоконная оптика посылает закодированную информацию через луч света вниз по стеклянной или пластиковой трубе. В 1960-х годах инженеры использовали её для передачи телефонных звонков со скоростью света.

Каждый кабель содержит невероятно тонкие нити из стекла или пластика: оптические волокна. Каждый кабель может состоять из двух или нескольких сотен жил. Пряди, каждая из которых составляет одну десятую ширины человеческого волоса, способны передавать около 25 000 телефонных звонков каждая. Таким образом, кабель, состоящий из сотен жил, способен передавать миллионы вызовов.

Свет отражается от стенок кабельной трубы. Каждый фотон отскакивает по трубе, как бобслей на ледяной дорожке. Хотя вы можете ожидать, что свет просочится через края стеклянной трубы, он направлен под малыми углами (не более 42 градусов), которые отражают его обратно в трубу. Это известно как полное внутреннее отражение.

Кабель также сохраняет свет в трубе. Ядром кабеля является нить из стекла или пластика, через который проходит свет. Второй слой, называемый оболочкой, оборачивается вокруг внешней части сердечника. Оболочка удерживает световые сигналы внутри сердечника.

Какие бывают типы оптоволоконных кабелей?

Оптические моды – это просто путь, по которому луч света проходит по волокну. Одна мода идет прямо посередине. Другая может отскочить от волокна под узкими углами. Другие моды отскакивают от волокна под разными углами.

Самый простой тип волокна – одномодовый. Очень тонкий сердечник (5-10 микрон) посылает сигналы прямо по центру, не отскакивая от оболочки. Интернет, кабельное телевидение и телефонные сигналы чаще всего передаются по одномодовым волокнам, которые объединены в огромный пакет. Эти кабели могут передавать информацию на расстояние более 60 миль.

Каждое волокно в многомодовом кабеле почти в 10 раз больше, чем в одномодовом кабеле. Это позволяет световым лучам проходить через ядро по разным путям – в нескольких модах. Недостатком многомодовых оптоволоконных кабелей является то, что они могут передавать информацию только на короткие расстояния. Они в основном используются для связи компьютерных сетей.

Как изготавливаются оптоволоконные кабели?

Стекловолокно удивительно прочное, учитывая, что стекло является хрупким материалом. Большинство оптических волокон создают путем вытягивания стеклянного стержня, нагретого до точки плавления, диаметром несколько сантиметров и длиной примерно 1 м, в тонкое волокно диаметром 125 микрометров и длиной в несколько километров.

Каждое из этих волокон наматывается вместе с другими подобными волокнами для получения более толстой нити. Однако дополнительная защита часто необходима, когда волокна используются в среде, где доступ открыт. Для лабораторного использования, когда исследователи посылают «свет от телекоммуникационной установки на какой-либо диагностический прибор, а также в крупных промышленных сборках, удобно использовать патч-корды из волокон, где фактическое волокно окружено дополнительными защитными слоями. В то время как оголенное стекловолокно может иметь типичный диаметр 125 микрометров, а полимерный буфер и оболочка увеличивают его до нескольких сотен микрометров, общий диаметр волоконного кабеля может составлять несколько миллиметров».

Это не только укрепляет кабель, но и облегчает операторам распознавание волокна для простоты обслуживания и ремонта. И оптоволоконный кабель может содержать несколько волокон. Это позволяет умножать и без того огромные возможности передачи данных одного волокна. Существует множество оптических компонентов, которые могут быть изготовлены непосредственно из волокон. Некоторые примеры включают

• Волоконные соединители, которые проводят свет между двумя волокнами
• Оптические фильтры для использования при введении хроматической дисперсии в систему
• Волоконные поляризаторы, сделанные с поляризационными волокнами для направления света с определенным направлением поляризации
• Волоконные усилители, которые усиливают свет на определенных длинах волн

Это всего лишь несколько примеров того, как изготавливается волоконная оптика, и того, что мы можем из нее сделать для использования во многих областях.

Как волоконная оптика сравнивается с электрическими кабелями?

Есть некоторые технические области, такие как оптическая передача данных, где оптические волокна конкурируют с электрическими кабелями, и есть другие области, где оптоволоконные кабели имеют значительные преимущества:

• Оптические кабели намного легче
• Емкость волокна для передачи данных на порядок выше
• Затухание сигнала может быть очень низким
• Большое количество каналов может быть повторно усилено в одном волоконном усилителе
• Передача данных по оптоволокну трудно перехватить и манипулировать, обеспечивая большую безопасность
• Оптоволоконные соединения невосприимчивы к EMP
• Волокна не представляют опасности возгорания

Однако волокна имеют недостатки:

• Оптические соединения чувствительны и трудны в обращении. Выравнивание должно быть точным, и требуется оптимальная чистота.
• Стекловолокно должно оставаться относительно прямым, чтобы предотвратить потери или поломку.

В целом ясно, что преимущества перевешивают недостатки, что делает волоконную оптику замечательной инновацией.

Для чего используется волоконная оптика?

Мы не понимаем, насколько повсеместными стали оптоволоконные кабели. Лазерные сигналы, передаваемые по этим кабелям, скрыты под тротуаром и даже под дном океана. Технологии, в которых используются эти кабели, так же разнообразны, как и сами световые сигналы.

Компьютерные сети

Волоконно-оптические кабели в основном несут информацию на большие расстояния. Это создает оптимальные условия для передачи данных. Волоконно-оптические кабели имеют много преимуществ по сравнению со старыми стилями электронной передачи:

1. Меньшая потеря сигнала. Информация движется в 10 раз дальше, прежде чем она нуждается в усилении
2. Нет помех. Волоконно-оптические кабели менее подвержены электромагнитным помехам
3. Более высокая пропускная способность. Волоконно-оптические кабели несут гораздо больше данных, чем старые кабели того же размера

Когда-то компьютеры были соединены на большие расстояния с помощью телефонных линий или кабелей Ethernet, но оптоволоконные кабели заменили эти варианты, поскольку сетевые компьютеры с оптоволоконными кабелями доступны по цене, надежны, безопасны и предлагают более высокую емкость.

Телевизионное и радиовещание

В то время как ранние телевизионные и радиосигналы использовали электромагнитные волны для передачи сигналов, компании кабельного телевидения переходили вперед, используя коаксиальные кабели, а те передавали несколько аналоговых телевизионных сигналов. По мере роста числа потребителей кабельного телевидения и того, что телевизионные сети стали предлагать больше каналов и программ, кабельные операторы переключились с коаксиальных кабелей на оптические волокна, с аналогового на цифровое вещание.

Медицинские приборы

Медицинские приборы, которые помогают врачам заглядывать в человеческие тела, не разрезая их, были первым применением волоконной оптики более 50 лет назад. В настоящее время гастроскопы и артроскопы являются обычным явлением в медицине, а волоконная оптика продолжает оставаться важным компонентом в новых медицинских устройствах для сканирования и диагностики.

Военное применение

Волоконно-оптические кабели дешевые, легкие, высокопроизводительные, тонкие, устойчивые к атакам и очень безопасные. Таким образом, они представляют собой простой способ связать военные базы с местами запуска ракет и радиолокационными станциями слежения. Они не испускают электромагнитное излучение, легко обнаруживаемое противником, и они устойчивые, когда на них воздействуют электромагнитные помехи.

Относительно легкий вес волоконно-оптических кабелей по сравнению с традиционными проводами является еще одним преимуществом. Танки, военные самолеты и вертолеты начали переключаться с металлических кабелей на оптоволоконные. Экономия веса и затрат является большим преимуществом, но волоконная оптика также повышает надежность – сама их природа делает их невосприимчивыми к электромагнитному импульсу или другим помехам.

Заключение

Хотя волоконная оптика существует уже несколько десятилетий, наша технология только сейчас начинает использовать ее в полной мере. В ближайшем будущем ученые и исследователи продолжат искать способы внедрения волоконной оптики в нашу жизнь. С её способностью улучшать связь и устройства, нет никаких сомнений в том, что волоконная оптика будет продолжать развиваться и позволит людям продолжать совершенствовать наши коммуникации, медицину и вооруженные силы.