Оптическое волокно: виды и применение¶

Оптическое волокно — это тонкая нить из прозрачного диэлектрика (обычно кварцевого стекла или полимера), предназначенная для направленной передачи света за счёт эффекта полного внутреннего отражения. Является основным элементом волоконно-оптических линий связи, датчиков, медицинских эндоскопов и осветительных систем. Термин «оптифайбер» (от англ. optical fiber) в русскоязычной технической литературе используется как разговорный синоним словосочетания «оптическое волокно».

¶Устройство и принцип действия

Волокно состоит из сердцевины (core) с высоким показателем преломления и окружающей её оболочки (cladding) с меньшим показателем. За счёт разницы показателей свет, введённый в сердцевину под достаточно малым углом к оси, испытывает полное внутреннее отражение на границе «сердцевина — оболочка» и распространяется вдоль волокна с малыми потерями. Снаружи наносится защитное покрытие из акрилата, полиимида или других полимеров, предохраняющее стекло от влаги и механических повреждений.

Ключевые параметры волокна:

• диаметр сердцевины и оболочки (типовые значения — 9/125 мкм для одномодового и 50/125 или 62,5/125 мкм для многомодового);
• числовая апертура, определяющая угол захвата света;
• затухание (измеряется в дБ/км);
• дисперсия, ограничивающая полосу пропускания;
• длина волны нулевой дисперсии.

¶История

Явление передачи света по струе жидкости демонстрировал ещё в 1840-х годах Жан-Даниэль Колладон, а в начале XX века Джон Тиндаль показал распространение света по изогнутой струе воды. В 1950-х годах появились первые стеклянные волокна с оболочкой, использовавшиеся в медицине для эндоскопии. Переломным стал 1966 год, когда Чарльз Као и Джордж Хокхэм опубликовали работу, где теоретически обосновали возможность передачи света по стеклянному волокну с затуханием менее 20 дБ/км. В 1970 году фирма Corning получила волокно с затуханием около 17 дБ/км, а к 1980-м годам потери удалось снизить до значений порядка 0,2 дБ/км на длине волны 1,55 мкм — это близко к теоретическому пределу для кварцевого стекла.

В СССР и России исследования велись в Физическом институте имени П. Н. Лебедева, Институте радиотехники и электроники, а также в отраслевых организациях связи. Первые отечественные волоконно-оптические линии связи появились в 1980-х годах; в дальнейшем волокно стало основой магистральных, городских и зоновых сетей.

¶Классификация

¶По числу распространяющихся мод

• Одномодовое волокно — диаметр сердцевины порядка 8–10 мкм, распространяется одна мода. Обладает минимальной дисперсией и малым затуханием, применяется на магистральных линиях большой протяжённости.
• Многомодовое волокно — диаметр сердцевины 50 или 62,5 мкм, распространяется множество мод. Дешевле в монтаже, но имеет большую дисперсию, поэтому используется на коротких расстояниях — внутри зданий, в центрах обработки данных.

¶По профилю показателя преломления

• со ступенчатым профилем;
• с градиентным профилем (снижает межмодовую дисперсию);
• со смещённой и несмещённой дисперсией;
• с ненулевой смещённой дисперсией (NZ-DSF).

¶По материалу

• кварцевое стекло (наиболее распространено);
• фторсодержащие и халькогенидные стёкла для среднего ИК-диапазона;
• полимерные волокна (POF) — для коротких линий и декоративной подсветки;
• волокно с кварцевой сердцевиной и полимерной оболочкой (PCF/HCS).

¶Применение

¶Волоконно-оптическая связь

Основная область применения. Волокно позволяет передавать данные на скорости десятки и сотни терабит в секунду по одному волокну при использовании спектрального мультиплексирования (WDM). Оптические линии устойчивы к электромагнитным помехам, обеспечивают гальваническую развязку и высокую защищённость от несанкционированного съёма информации. В России волокно применяется в магистральных сетях операторов связи, в системах «Ростелекома», в подводных кабельных линиях и в сетях мобильных операторов для связи базовых станций.

¶Датчики

На основе волокна создаются датчики температуры, деформации, давления, акустических колебаний. Волоконно-оптические гироскопы применяются в навигационных системах, в том числе в авиации и морском флоте. Распределённые датчики позволяют контролировать состояние трубопроводов и мостов на протяжении десятков километров.

¶Медицина и промышленность

Волоконные световоды используются в эндоскопах, лазерных хирургических установках, для доставки излучения к труднодоступным участкам. В промышленности — для лазерной резки и сварки, в системах подсветки и контроля.

¶Освещение и декор

Полимерные и стеклянные волокна применяются в декоративных светильниках, рекламных конструкциях, а также в системах подсветки, где требуется разделить источник света и точки свечения.

¶Производство

Основной метод изготовления — вытяжка волокна из заготовки (преформы), получаемой методами MCVD, OVD, VAD или PCVD. Преформа диаметром несколько сантиметров разогревается до примерно 2000 °C и вытягивается в нить заданного диаметра, после чего наносится защитное покрытие и волокно наматывается на катушки. Крупнейшие производители — Corning, Prysmian, Sumitomo, Fujikura, YOFC; в России производство развивают предприятия «Оптиковолоконные Системы» (Саранск) и ряд научно-производственных организаций.

¶Технические ограничения

К основным ограничениям относятся затухание, дисперсия, нелинейные эффекты (вынужденное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна, четырёхволновое смешение), а также механическая хрупкость стекла. Для сварки волокон применяются специальные сварочные аппараты, для соединения — разъёмные коннекторы (LC, SC, FC и другие). Монтаж требует высокой квалификации и чистоты.

¶Значение

Оптическое волокно стало технологической основой современного интернета и глобальных телекоммуникаций. Пропускная способность волоконных линий на порядки превышает возможности медных кабелей, что обеспечило развитие облачных сервисов, потокового видео и центров обработки данных. Дальнейшее развитие связано с многосердцевинными волокнами, волокнами с малыми потерями в среднем ИК-диапазоне и интеграцией волоконной оптики с фотонными интегральными схемами.

Источники: работы Ч. Као и Дж. Хокхэма (1966), материалы ITU-T, публикации Corning, отраслевые обзоры по волоконно-оптическим линиям связи, технические стандарты IEC 60793.