Optikai szál

Optikai szál  - optikailag átlátszó anyagból (üveg, műanyag) készült szál, amely a fényt önmagában a teljes belső visszaverődés révén továbbítja .

Az optikai szál  egy dielektromos vezetőközeg, amelyet elektromágneses hullámok optikai és infravörös tartományban történő csatornázására terveztek. Az optikai szál koaxiális felépítésű, magból, burkolatból és elsődleges akrilát bevonatból áll, és törésmutató-profil jellemzi.

A száloptika  az alkalmazott tudománynak és a műszaki tudománynak az ilyen szálakat leíró ága. Az optikai szálakon alapuló kábeleket ( száloptikai kábel ) használják az optikai kommunikációban , amely lehetővé teszi az információk nagyobb távolságra történő, nagyobb adatátviteli sebességgel történő továbbítását, mint az elektronikus kommunikációban [1] . Egyes esetekben érzékelők létrehozásához is használják őket .

Történelem

A száloptikában alkalmazott fényáteresztés elvét először a 19. században mutatták be, de a széles körű alkalmazást a megfelelő technológia hiánya akadályozta.

1934-ben az amerikai Norman R. French szabadalmat kapott egy optikai telefonrendszerre, amelyben a beszédjeleket fény segítségével, tiszta üvegrudakon keresztül továbbították [2] .

Az 1950-es években Brian O'Brien és Narinder Kapanii (aki 1956-ban megalkotta a száloptika kifejezést) optikai szálakat fejlesztett ki a képátvitelhez. Az orvostudományban ( endoszkópiában ) használt fényvezetőkben alkalmazták [3] [4] .

1962-ben létrehoztak egy félvezető lézert és egy fotodiódát , amelyeket optikai jelek forrásaként és vevőjeként használtak [2] .

1966-ban K. Ch. Kao és J. Hockham megfogalmazta az optikai szálas információátviteli rendszer követelményeit, és megmutatta a 20 dB / km -nél kisebb csillapítású optikai szál létrehozásának lehetőségét . Azt találták, hogy az első szálakban rejlő magas szintű csillapítás (körülbelül 1000 dB/km) az üvegben lévő szennyeződéseknek köszönhető. Ezért a munkájáért Kao 2009-ben megkapta a fizikai Nobel-díjat .

Robert Maurer és Donald Keck Corning alkalmazottainak azonban csak 1970- re sikerült alacsony csillapítású szálat szerezniük - akár 16 dB / km-re, néhány év alatt pedig akár 4 dB / km-re. A szál többmódusú volt, és több módú fény is áthaladt rajta. 1983-ra elsajátították az egymódusú szálak gyártását, amelyen keresztül az egyik módot továbbították .

A száloptikai kommunikációs vonalakat (FOCL) először katonai célokra használták. 1973-ban az Egyesült Államok haditengerészete először épített száloptikai kapcsolatot a Little Rock fedélzetén . 1976-ban az Egyesült Államok légiereje az A-7- es repülőgép kábeles berendezését száloptikai berendezéssel cserélte le, amely sokkal kisebb tömegű. 1977-ben elindítottak egy két kilométeres FOCL-t, amely összeköti a földi műholdállomást a vezérlőközponttal.

1980-ban kezdte meg működését az első kereskedelmi FOCL az Egyesült Államokban Boston és Richmond között [3] [4] .

A Szovjetunióban az 1980-as évek végén megjelentek az első száloptikai kommunikációs vonalak több helyen. Az első orosz nemzetközi FOCL a Szentpétervár  – Albertslund ( Dánia ) víz alatti vonal volt, amelyet 1993-ban fektetett le a JSC Sovtelecom [5] [6] (ma PJSC Rostelecom [7] ).

2018-ban a NICT Hálózati Rendszerkutató Intézet és a Fujikura Ltd kutatói, akiknek szakemberei egy új típusú hárommódusú (háromcsatornás) optikai szálat fejlesztettek ki, kísérletet végeztek, amelynek során 159 terabit /másodperc információátviteli sebességet értek el. 1045 kilométeres távolság. Normál körülmények között a többmódusú optikai szál késése megnehezíti a nagy átviteli sebességek egyidejű vételét és a nagy távolságokra történő átvitelt. Ez az eredmény pedig egyfajta demonstrációja a korlátok leküzdésének új módszerének [8] .

Anyagok

Az üveg optikai szálak kvarcüvegből készülnek , de más anyagok, például fluor- cirkonát , fluor -aluminát és kalkogenid üvegek is használhatók a távoli infravörös sugárzáshoz . Más szemüvegekhez hasonlóan ennek is körülbelül 1,5 a törésmutatója.

Jelenleg a műanyag optikai szálak használatának fejlesztése folyik. Az ilyen szálak magja polimetil-metakrilátból (PMMA), a hüvely pedig fluorozott PMMA-ból (fluorpolimerek) készül.

Építkezés

Az optikai szál általában kör keresztmetszetű, és két részből áll - egy magból és egy burkolatból. A teljes belső visszaverődés biztosítása érdekében a mag abszolút törésmutatója valamivel magasabb, mint a burkolaté. A mag tiszta anyagból (üveg vagy műanyag) készült, és átmérője 9 µm (egymódusú szál), 50 vagy 62,5 µm (multimódusú szál esetében). A burkolat átmérője 125 µm , és a törésmutatót megváltoztató adalékanyagokat tartalmazó anyagból áll. Például, ha a burkolat törésmutatója 1,474, akkor a mag törésmutatója 1,479. A magba irányított fénysugár fog terjedni rajta, sokszor visszaverődik a héjról.

Bonyolultabb kialakítások is lehetségesek: kétdimenziós fotonikus kristályok használhatók magként és burkolatként , a törésmutató fokozatos változtatása helyett gyakran gradiens törésmutató-profilú szálakat használnak, a mag alakja eltérhet hengeres. Az ilyen kialakítások speciális tulajdonságokat biztosítanak a szálaknak: a terjedő fény polarizációjának fenntartása, a veszteségek csökkentése, a szálak diszperziójának megváltoztatása stb.

A távközlésben használt optikai szálak átmérője jellemzően 125±1 mikron. A mag átmérője a szál típusától és a nemzeti szabványoktól függően változhat.

Osztályozás

Az optikai szálak lehetnek egymódusúak vagy többmódusúak. Az egymódusú szálak magátmérője 7 és 10 mikron között van . A mag kis átmérője miatt az optikai sugárzás egy (alapvető) módban terjed át a szálon, és ennek következtében nincs intermódusú diszperzió.

Az egymódusú szálak három fő típusa létezik:

  1. egymódusú lépcsőzetes optikai szál eltolatlan diszperzióval (standard) (SMF vagy SM, angol  step index s ingle mode fiber ), az ITU-T G.652 ajánlás határozza meg, és a legtöbb optikai kommunikációs rendszerben használatos;
  2. a diszperziós eltolt egymódusú szálat (DSF vagy DS ) az ITU- T G.653 határozza meg .  A DSF szálakban a szennyeződések segítségével a nulla diszperzió tartománya a harmadik átlátszósági ablakba tolódik el , amelyben a minimális csillapítás figyelhető meg;
  3. nem nulla diszperziós eltolt egymódusú szál ( NZDSF , NZDS  vagy NZ ,

A többmódusú szálak magátmérőjükben különböznek az egymódusú szálaktól, ami az európai szabványban 50 mikron, az észak-amerikai és japán szabványban pedig 62,5 mikron. A mag nagy átmérője miatt több sugárzási mód terjed a többmódusú szálon keresztül - mindegyik saját szögben, ami miatt a fényimpulzus diszperziós torzulást tapasztal, és téglalapból harang alakúra változik.

A többmódusú szálakat lépcsős és gradiens szálakra osztják. Lépcsőzetes szálakban a törésmutató fokozatosan változik a burkolattól a magig. A gradiens szálakban ez a változás másképpen történik - a mag törésmutatója simán növekszik a szélétől a középpontig. Ez a magban a fénytörés jelenségéhez vezet , ezáltal csökkentve a diszperziónak az optikai impulzus torzítására gyakorolt ​​hatását. A gradiens szál törésmutató-profilja lehet parabola , háromszög alakú , törött stb.

A polimer (műanyag) szálak 50, 62,5, 120 és 980 mikrométer átmérőjűek, és 490 és 1000 mikron átmérőjű burkolattal készülnek.

Alkalmazás

Száloptikai kommunikáció

Az optikai szálakat elsősorban információtovábbítási médiumként használják különböző szintű optikai távközlési hálózatokban: az interkontinentális autópályáktól az otthoni számítógépes hálózatokig. Az optikai szálak kommunikációs vonalakban való használata annak a ténynek köszönhető, hogy az optikai szál nagy biztonságot nyújt a jogosulatlan hozzáférés ellen, alacsony jelcsillapítást nagy távolságra történő információtovábbításkor, rendkívül nagy átviteli sebességgel és áteresztőképességgel képes működni a jel terjedési sebessége ellenére. szálakban akár 30%-kal is alacsonyabb lehet, mint a rézhuzalokban, és akár 40%-kal is kisebb, mint a rádióhullámok terjedési sebessége [9] . Már 2006-ra sikerült elérni a 111 GHz-es modulációs frekvenciát [10] [11] , míg a 10 és 40 Gbit/s-os sebességek már szabványos átviteli sebességekké váltak egyetlen optikai szál csatornán. Ugyanakkor az egyes szálak a csatornák spektrális multiplexelésének technológiáját használva akár több száz csatornát is képesek egyidejűleg továbbítani, így a teljes információátviteli sebességet terabit/másodpercben számítják. Így 2008-ra 10,72 Tbps [12] , 2012-re pedig 20 Tbps [13] sebességet értek el . A legújabb sebességrekord 255 Tbps [14] .

A szakértők 2017 óta beszélnek a meglévő száloptikai kommunikációs technológiák gyakorlati határának eléréséről, és alapvető változások szükségességéről az iparágban [15] .

Száloptikai érzékelő

Az optikai szál érzékelőként használható feszültség, hőmérséklet, nyomás és egyéb paraméterek mérésére. A kis méret és az elektromos energiaigény gyakorlatilag hiánya bizonyos területeken előnyt jelent a száloptikai érzékelőknek a hagyományos elektromos érzékelőkkel szemben.

Az optikai szálat hidrofonokban használják szeizmikus vagy szonáros műszerekben. A hidrofon rendszereket szálkábelenként több mint 100 érzékelővel fejlesztették ki. A hidrofon szenzorrendszereket az olajipar és egyes országok flottái is használják. A német Sennheiser cég kifejlesztett egy lézermikrofont , melynek fő elemei egy lézersugárzó, egy fényvisszaverő membrán és egy optikai szál [16] .

A hőmérsékletet és nyomást mérő száloptikai érzékelőket olajkutakban történő mérésekhez tervezték. Jól illeszkednek ehhez a környezethez, túl magas hőmérsékleten működnek a szilárdtest-érzékelők számára.

A polimer optikai szálak felhasználásával új kémiai érzékelők (szenzorok) jönnek létre, amelyeket széles körben alkalmaznak az ökológiában, például vizes közegben lévő ammónium kimutatására [17] .

Száloptikai érzékelőkkel ellátott ívvédő eszközöket fejlesztettek ki, amelyek fő előnyei a hagyományos ívvédő eszközökkel szemben: nagy sebesség, elektromágneses zavarokra való érzéketlenség, rugalmasság és könnyű telepítés, dielektromos tulajdonságok.

A Boeing 767 -ben használt lézergiroszkópban alkalmazott optikai szál és egyes autómodelleknél (navigációhoz). Száloptikai giroszkópokat használnak a Szojuz űrhajókban [18] . Speciális optikai szálakat használnak interferometrikus mágneses tér- és elektromos áramérzékelőkben. Ezek olyan szálak, amelyeket erős beépített kettős törésű előforma forgatásával nyernek.

Egyéb felhasználások

Az optikai szálakat széles körben használják világításra . Fényvezetőként használják orvosi és egyéb alkalmazásokban, ahol erős fényt kell eljuttatni a nehezen elérhető helyre. Egyes épületekben az optikai szálak a napfényt a tetőről az épület bizonyos részére irányítják. Autóvilágításban is ( jelzés a műszerfalon).

A száloptikás világítást dekorációs célokra is használják, beleértve a kereskedelmi reklámokat, a művészetet és a mesterséges karácsonyfákat .

Az optikai szálat képalkotáshoz is használják. Az optikai szálak által átbocsátott fénysugarat néha lencsékkel együtt használják, például endoszkópban , amelyet egy kis nyíláson keresztül tárgyak megtekintésére használnak.

Optikai szálat használnak a szálas lézerek felépítéséhez .

Lásd még

Jegyzetek

  1. ↑ A. G. Korobeinikov, Yu. A. Gatchin, K. V. Dukelsky, E. V. Ter-Nersesyants.  A nagy szilárdságú optikai szálgyártás problémái - UDC 681.7.- Az ITMO tudományos és műszaki közleménye . - 2. szám (84). – 2013. március-április
  2. ↑ 1 2 Dushutin N. K., Mokhovikov A. Yu. A kondenzált anyag fizika történetéből . A kondenzált anyag fizika történetéből P. 157. Irkutszki Állami Egyetem (2014). Letöltve: 2016. január 21. Az eredetiből archiválva : 2016. január 27..
  3. ↑ 1 2 Történelmi kitérő . Letöltve: 2022. június 28. Az eredetiből archiválva : 2019. szeptember 14.
  4. ↑ 1 2 A Száloptikai kronológia
  5. ↑ A FOCL építésének jellemzői Oroszországban . Letöltve: 2022. június 28. Az eredetiből archiválva : 2018. március 25.
  6. ↑ Telecom Oroszországban 2000-2004 . Letöltve: 2022. június 28. Az eredetiből archiválva : 2019. szeptember 6..
  7. ↑ Az OJSC Rostelecom története
  8. ↑ "Rekordtörő Fiber Transmission Speed ​​​​Reported" archiválva : 2018. április 19. a Wayback Machine ECN-en, 2018. április 17.
  9. ↑ Salifov I. I. A modern gerinchálózati kommunikációs hálózatok átviteli közegeinek számítása és összehasonlítása a késleltetés (késleltetés) kritériuma szerint  // T-Comm - Telecommunications and Transport: Journal. - M . : "Médiakiadó" Kiadó, 2009. - 4. sz . - S. 42 . Az eredetiből archiválva : 2022. január 21.
  10. ↑ NTT sajtóközlemény. 14 Tbps egyetlen optikai szálon keresztül: A világ legnagyobb kapacitásának sikeres bemutatása. 140 digitális nagyfelbontású film átvitele egy másodperc alatt (a link nem érhető el) (2006. szeptember 29.). Letöltve: 2011. október 3. Az eredetiből archiválva : 2012. május 27.. 
  11. ↑ MS Alfiad et al. . 111 Gb/s POLMUX-RZ-DQPSK Átvitel 1140 km SSMF-en keresztül 10,7 Gb/s NRZ-OOK szomszédokkal, C. Mo.4.E.2.
  12. ↑ Listvin A.V., Listvin V.N., Shvyrkov D.V. Optikai szálak kommunikációs vonalakhoz . - M . : LESARart, 2003. - S.  8 . — 288 p. — 10.000 példány.  - ISBN 5-902367-01-8 .
  13. ↑ A Huawei bemutatta a 400G DWDM gerincátviteli rendszer prototípusát . Letöltve: 2013. szeptember 23. Az eredetiből archiválva : 2013. szeptember 26..
  14. ↑ Akár 255 terabit/másodperc sávszélességű optikai szálat hoztak létre , Lenta.ru  (2014. október 28.). Az eredetiből archiválva : 2014. október 29. Letöltve: 2014. október 29.
  15. ↑ Alekszandr Golyshko, Vitaly Shub. Ideje a csodáknak, vagy a fékek a világ végére . ICS média . ICS Journal (2017. július 7.). Letöltve: 2018. május 21. Az eredetiből archiválva : 2018. május 22.
  16. ↑ TP: Der Glasfaser-Schallwandler . Letöltve: 2005. december 4. Az eredetiből archiválva : 2011. augusztus 21..
  17. ↑ Lopez N. ., Sequeira F. ., Gomez M. S., Rogerio N. N., Bilro L., Zadorozhnaya O. A., Rudnitskaya A. M. Fiber-optic sensor modified by molecularly imprinted polymer grafting for detection ammonium in aqueous media  // Journal információs technológiák, mechanika és optika értesítője". - 2015. - 4. sz . — ISSN 2226-1494 . Archiválva az eredetiből 2015. július 8-án.
  18. ↑ "Optolink" Kutató és Termelő Vállalat: Hírek . Letöltve: 2013. június 17. Az eredetiből archiválva : 2013. június 18..

Irodalom

Linkek


  Ugrás a Wikidata elemre  Szótárak és enciklopédiák