Оптическое волокно (статья)

Файл:Fibreoptic.jpg

Пучок оптических волокон

История

Развитие современной волоконной технологии началось в 1950-х годах. Изобретение лазеров сделало возможным построение волоконно-оптических линий связи, превосходящих по своим характеристикам традиционные проводные средства связи.

Материалы

Стеклянные оптические волокна делаются из кварцевого стекла, но для дальнего инфракрасного диапазона могут использоваться другие материалы, такие как флуоро-цирконат, флуоро-алюминат и халькогенидные стекла. Как и другие стекла, эти имеют показатель преломления около 1,5.

Конструкция

Оптическое волокно имеет круглое сечение и состоит из двух частей — сердцевины и оболочки. Для обеспечения полного внутреннего отражения абсолютный показатель преломления сердцевины несколько выше показателя преломления оболочки. Например, если показатель преломления оболочки равен 1,474, то показатель преломления сердцевины — 1,479.

Луч света, направленный в сердцевину, будет распространяться по ней, испытывая многократные переотражения от границы раздела «сердцевина — оболочка».

Все оптические волокна, используемые в телекоммуникациях, имеют диаметр 125±1 микрон. Диаметр сердцевины может отличаться в зависимости от типа волокна и национальных стандартов.

Классификация

Профиль показателя преломления различных типов оптических волокон: слева вверху — одномодовое волокно, слева внизу — многомодовое ступенчатое волокно, справа — градиентное волокно с параболическим профилем.

Оптические волокна могут быть одномодовыми и многомодовыми. Диаметр сердцевины одномодовых волокон составляет от 7 до 9 микрон. Благодаря малому диаметру достигается передача по волокну лишь одной моды электромагнитного излучения, за счёт чего исключается влияние дисперсионных искажений. В настоящее время практически все производимые волокна являются одномодовыми.

Существует три основных типа одномодовых волокон:

1. Одномодовое ступенчатое волокно с несмещённой дисперсией (стандартное) (англ. SMF — Step Index Single Mode Fiber), оно применяется в большинстве оптических линий связи.
2. Одномодовое волокно со смещённой дисперсией (англ. DSF — Dispersion Shifted Single Mode Fiber).В волокнах DSF с помощью примесей область нулевой дисперсии смещена в окно прозрачности кварца, в котором наблюдается минимальное затухание.
3. Одномодовое волокно с ненулевой смещённой дисперсией (англ. NZDSF — Non-Zero Dispersion Shifted Single Mode Fiber).

Многомодовые волокна отличаются от одномодовых диаметром сердцевины, который составляет 50 микрон в европейском стандарте и 62,5 микрон в североамериканском и японском стандартах. Из-за большого диаметра сердцевины по многомодовому волокну распространяется несколько мод излучения — каждая под своим углом, из-за чего импульс света испытывает дисперсионные искажения и из прямоугольного превращается в колоколоподобный.

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные. В ступенчатых волокнах показатель преломления от оболочки к сердцевине изменяется скачкообразно. В градиентных волокнах это изменение происходит иначе — показатель преломления сердцевины плавно возрастает от края к центру. Это приводит к явлению рефракции в сердцевине, благодаря чему снижается влияние дисперсии на искажение оптического импульса. Профиль показателя преломления градиентного волокна может быть параболическим,треугольным, ломаным и т. д.

Классификация оптического волокна

В настоящее время широко используются несколько основных классов оптических волокон в соответствии с рекомендациями ITU-T:

• G.651 Многомодовое 50/125 мкм с градиентным профилем показателя преломления.
• G.652 Стандартное одномодовое.
• G.653 Одномодовое со смещенной дисперсией.
• G.654 Одномодовое со смещенной длиной волны отсечки.
• G.655 Одномодовое с ненулевой смещенной дисперсией.
• G.656 Одномодовое с ненулевой дисперсией для широкополосной передачи данных.
• G.657 Одномодовое с уменьшенными потерями на малых радиусах изгиба.

ITU-T - (International Telecommunication Union - Telecommunication Standardization Sector) - Сектор стандартизации Международного союза электросвязи. Каждый класс (тип) оптических волокон может иметь различные подклассы (категории), в которых волокна могут отличаться по некоторым характеристикам.

Преимущества оптического волокна

• Широкая полоса пропускания - обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей 1014Гц. Это дает потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько терабит в секунду.
• Малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественными и зарубежными производителями промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2-0,3 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчете на один километр. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяют строить участки линий без ретрансляции протяженностью до 100 км и более.
• Низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания, путем передачи различной модуляции сигналов с малой ибыточностью кода.
• Высокая помехозащищенность. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования.
• Малый вес и объем. Волоконно-оптические кабели имеют меньший вес и объем по сравнению с медными кабелями.
• Высокая защищенность от несанкционированного доступа.
• Взрыво- и пожаробезопасность.
• Длительный срок эксплуатации.Со временем затухание в проложенном кабеле постепенно возрастает. Однако, благодаря совершенству современных технологий производства оптических волокон, этот процесс значительно замедлен, и срок службы составляет примерно 25 лет.

Волоконно-оптическая связь

Основное применение оптические волокна находят в качестве среды передачи на волоконно-оптических телекоммуникационных сетях различных уровней: от межконтинентальных магистралей до домашних компьютерных сетей. Применение оптических волокон позволяет оперировать с чрезвычайно высокими скоростями передачи, измеряемыми терабитами в секунду. Для увеличения скорости передачи данных по волокну применяют технологию спектрального уплотнения каналов.

Дополнительные материалы

• Измерения на волоконно-оптических линиях связи
• Изготовление оптических волокон(видео)(eng)
• Сварка оптического волокна / видеоинструкция, 4:05 мин.

См. также

• Оптический кабель
• Сварка оптического волокна
• Спектральное уплотнение каналов

Литература

• {{#if:Листвин А. В., Листвин В. Н., Швырков Д. В. |Листвин А. В., Листвин В. Н., Швырков Д. В.

 }}{{#if:
 | // 
 }}{{#if:
  | [ Оптические волокна для линий связи] | Оптические волокна для линий связи 

}}{{#if:

  | = 

}}{{#if:

  | / 

}}{{#if:

  |. — 

}}{{#if:

 Шаблон:М. |. — |{{#if:
   ЛЕСАРарт |. — |{{#if:
     2003|. — |{{#if:
       |. — 
       }}
     }}
   }}
 }}{{#if:
 Шаблон:М.| Шаблон:М.: 
 }}{{#if:
 ЛЕСАРарт| ЛЕСАРарт
 }}{{#if:
 2003|{{#if:
   ЛЕСАРарт|, 
   }}2003
 }}{{#if:
 |{{#if:
   ЛЕСАРарт |. — Т. | Т. }}

}}{{#if:

 |{{#if:
   ЛЕСАРарт |. — С. |{{#if:
      2003|. — С. | С. 
      }}
   }}

}}{{#if:

 288 |. — 288 с

}}{{#if:

  |. — P. {{{pages}}}

}}{{#if:

  |. —  p

}}{{#if:

  |. — ()

}}{{#if:

 10 000|. — 10 000 экз

}}{{#if:

 5-902367-01-8 |. — ISBN 5-902367-01-8| .

}}

• 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)