Fibra optica

Fibră optică  - un fir de material optic transparent (sticlă, plastic) folosit pentru a transfera lumina în interiorul său prin reflexie internă totală .

Fibra optică  este un mediu de ghidare dielectric conceput pentru a canaliza undele electromagnetice în domeniile optice și infraroșu. Fibra optică este de construcție coaxială și constă dintr-un miez, o placare și o acoperire primară de acrilat și este caracterizată printr-un profil cu indice de refracție.

Fibra optică  este o ramură a științei aplicate și a ingineriei care descrie astfel de fibre. Cablurile pe bază de fibre optice ( cablu de fibră optică ) sunt utilizate în comunicațiile prin fibră optică , ceea ce permite transmiterea informațiilor pe distanțe mai mari la o rată de date mai mare decât în ​​comunicațiile electronice [1] . În unele cazuri, sunt utilizați și la crearea de senzori .

Istorie

Principiul transmisiei luminii folosit în fibra optică a fost demonstrat pentru prima dată în secolul al XIX-lea, dar aplicarea pe scară largă a fost împiedicată de lipsa unei tehnologii adecvate.

În 1934, americanul Norman R. French a primit un brevet pentru un sistem optic de telefonie, în care semnalele de vorbire erau transmise folosind lumină prin tije de sticlă pură [2] .

În anii 1950 Brian O'Brien și Narinder Kapanii (care a inventat termenul de fibră optică în 1956) au dezvoltat fibre optice pentru transmisia imaginilor. Au fost aplicate în ghiduri de lumină utilizate în medicină (în endoscopie ) [3] [4] .

În 1962, au fost create un laser semiconductor și o fotodiodă , utilizate ca sursă și receptor al unui semnal optic [2] .

În 1966, K. Ch. Kao și J. Hockham au formulat cerințele pentru un sistem de transmisie a informațiilor din fibră optică și au arătat posibilitatea creării unei fibre optice cu o atenuare mai mică de 20 dB / km . Ei au descoperit că nivelul ridicat de atenuare inerent primelor fibre (aproximativ 1000 dB/km) s-a datorat impurităților prezente în sticlă. Pentru această lucrare, Kao a primit în 2009 Premiul Nobel pentru Fizică .

Dar abia în 1970, angajații Corning Robert Maurer și Donald Keck au reușit să obțină fibre cu atenuare scăzută - până la 16 dB/km, în câțiva ani - până la 4 dB/km. Fibra era multimodală și de-a lungul ei erau transmise mai multe moduri de lumină. Până în 1983, a fost stăpânită producția de fibre cu un singur mod, prin care a fost transmis un singur mod .

Liniile de comunicații prin fibră optică (FOCL) au fost utilizate pentru prima dată în scopuri militare. În 1973, Marina SUA a implementat pentru prima dată legătura cu fibră optică la bordul Little Rock . În 1976, Forțele Aeriene ale SUA au înlocuit echipamentul de cablu al aeronavei A-7 cu echipamente de fibră optică, care cântăreau mult mai puțin. În 1977, a fost lansat un FOCL de doi kilometri, care leagă stația de satelit de la sol cu ​​centrul de control.

În 1980, primul FOCL comercial a început să opereze în Statele Unite între Boston și Richmond [3] [4] .

În URSS, primele linii de comunicație prin fibră optică de la mai multe locații au apărut la sfârșitul anilor 1980. Primul FOCL internațional rus a fost linia subacvatică St. Petersburg  - Albertslund ( Danemarca ), pusă până în 1993 de JSC Sovtelecom [5] [6] (acum PJSC Rostelecom [7] ).

În 2018, cercetătorii de la NICT Network System Research Institute și Fujikura Ltd, ai cărei specialiști au dezvoltat un nou tip de fibră optică cu trei moduri (trei canale), au efectuat un experiment în timpul căruia s-a atins o rată de transfer de informații de 159 terabiți pe secundă o distanta de 1045 de kilometri. În condiții normale, întârzierile în fibra multimodală fac dificilă recepția simultană a ratelor de transmisie ridicate și efectuarea transmisiei pe distanțe lungi. Și această realizare este un fel de demonstrație a unei noi metode de depășire a limitărilor [8] .

Materiale

Fibrele optice de sticlă sunt fabricate din sticlă de cuarț , dar pentru infraroșu îndepărtat pot fi utilizate alte materiale, cum ar fi fluorozirconatul , fluoroaluminatul și sticla de calcogenură . Ca și alți ochelari, aceștia au un indice de refracție de aproximativ 1,5.

În prezent, se dezvoltă utilizarea fibrelor optice plastice. Miezul dintr-o astfel de fibră este realizat din polimetil metacrilat (PMMA), iar învelișul este din PMMA fluorurat (fluoropolimeri).

Constructii

Fibra optică, de regulă, are o secțiune transversală circulară și este formată din două părți - un miez și o placare. Pentru a asigura reflexia internă totală, indicele absolut de refracție al miezului este puțin mai mare decât cel al placajului. Miezul este realizat din material pur (sticlă sau plastic) și are un diametru de 9 µm (pentru fibre single mode), 50 sau 62,5 µm (pentru fibre multimode). Placarea are un diametru de 125 µm și constă dintr-un material cu dopanți care modifică indicele de refracție. De exemplu, dacă indicele de refracție al învelișului este 1,474, atunci indicele de refracție al miezului este 1,479. Un fascicul de lumină îndreptat spre miez se va propaga de-a lungul acestuia, reflectându-se de mai multe ori din înveliș.

Sunt posibile și modele mai complexe: cristalele fotonice bidimensionale pot fi folosite ca miez și înveliș , în loc de o schimbare treptată a indicelui de refracție, fibrele cu un profil de indice de refracție în gradient sunt adesea utilizate, forma miezului poate diferi de cilindric. Astfel de modele oferă fibrelor proprietăți speciale: menținerea polarizării luminii care se propagă, reducerea pierderilor, modificarea dispersiei fibrelor etc.

Fibrele optice utilizate în telecomunicații au de obicei un diametru de 125±1 microni. Diametrul miezului poate varia în funcție de tipul de fibră și de standardele naționale.

Clasificare

Fibrele optice pot fi monomodale sau multimodale. Diametrul miezului fibrelor single mode este între 7 și 10 microni . Datorită diametrului mic al miezului, radiația optică se propagă prin fibră într-un singur mod (fundamental) și, ca urmare, nu există dispersie intermodală.

Există trei tipuri principale de fibre monomod:

  1. fibră monomod în trepte cu dispersie nedeplasată (standard) (SMF sau SM, engleză  step index s ingle mode fiber ), este definită de recomandarea ITU-T G.652 și este utilizată în majoritatea sistemelor de comunicații optice;
  2. fibra monomod cu dispersie decalată (DSF sau DS ) este definită de ITU- T G.653 .  În fibrele DSF, cu ajutorul impurităților, regiunea de dispersie zero este deplasată la a treia fereastră de transparență , în care se respectă atenuarea minimă;
  3. Fibră monomod cu dispersie diferită de zero ( NZDSF , NZDS  sau NZ ,

Fibrele multimode diferă de fibrele monomode prin diametrul lor central, care este de 50 de microni în standardul european și de 62,5 microni în standardele nord-americane și japoneze. Datorită diametrului mare al miezului, mai multe moduri de radiație se propagă prin fibra multimodală - fiecare sub unghiul său propriu, datorită căruia pulsul de lumină suferă o distorsiune de dispersie și se transformă de la dreptunghiular la formă de clopot.

Fibrele multimodale sunt împărțite în fibre trepte și în gradient. În fibrele în trepte, indicele de refracție se modifică treptat de la placare la miez. În fibrele cu gradient, această schimbare are loc diferit - indicele de refracție al miezului crește ușor de la margine la centru. Acest lucru duce la fenomenul de refracție în miez, reducând astfel efectul dispersiei asupra distorsiunii impulsului optic. Profilul indicelui de refracție al unei fibre gradient poate fi parabolic , triunghiular , rupt și așa mai departe.

Fibrele polimerice (plastic) sunt produse cu un diametru de 50, 62,5, 120 și 980 micrometri și o manta cu diametrul de 490 și 1000 microni.

Aplicație

Comunicații prin fibră optică

Fibrele optice sunt utilizate în principal ca mediu de transmitere a informațiilor în rețelele de telecomunicații cu fibră optică de diferite niveluri: de la autostrăzile intercontinentale până la rețelele de computere de acasă. Utilizarea fibrelor optice pentru liniile de comunicație se datorează faptului că fibra optică oferă securitate ridicată împotriva accesului neautorizat, atenuare scăzută a semnalului la transmiterea informațiilor pe distanțe lungi, capacitatea de a opera cu rate de transmisie și debit extrem de mari chiar dacă viteza de propagare a semnalului este foarte mare. în fibre poate fi cu până la 30% mai mică decât în ​​firele de cupru și cu până la 40% mai mică decât viteza de propagare a undelor radio [9] . Deja în 2006, frecvența de modulație de 111 GHz [10] [11] a fost atinsă , în timp ce ratele de 10 și 40 Gbit/s au devenit deja rate de transmisie standard pe un singur canal de fibră optică. În același timp, fiecare fibră, folosind tehnologia de multiplexare spectrală a canalelor , poate transmite până la câteva sute de canale simultan, oferind o rată totală de transfer de informații calculată în terabiți pe secundă. Deci, până în 2008, a fost atinsă o viteză de 10,72 Tbps [12] , iar până în 2012 - 20 Tbps [13] . Cel mai recent record de viteză este de 255 Tbps [14] .

Din 2017, experții vorbesc despre atingerea limitei practice a tehnologiilor de comunicații prin fibră optică existente și despre necesitatea unor schimbări fundamentale în industrie [15] .

Senzor fibră optică

Fibra optică poate fi folosită ca senzor pentru a măsura tensiunea, temperatura, presiunea și alți parametri. Dimensiunea redusă și absența virtuală a nevoii de energie electrică oferă senzorilor cu fibră optică un avantaj față de senzorii electrici tradiționali din anumite zone.

Fibra optică este utilizată în hidrofoane în instrumentele seismice sau sonar. Sistemele de hidrofoane au fost dezvoltate cu mai mult de 100 de senzori pe cablu de fibră. Sistemele de senzori cu hidrofon sunt folosite în industria petrolieră și, de asemenea, de flotele unor țări. Compania germană Sennheiser a dezvoltat un microfon laser , ale cărui elemente principale sunt un emițător laser, o membrană reflectorizantă și o fibră optică [16] .

Senzorii cu fibră optică care măsoară temperaturile și presiunile sunt proiectați pentru măsurători în puțurile de petrol. Sunt potrivite pentru acest mediu, funcționând la temperaturi prea ridicate pentru senzorii cu stare solidă.

Odată cu utilizarea fibrelor optice polimerice, se creează noi senzori chimici (senzori), care sunt utilizați pe scară largă în ecologie, de exemplu, pentru detectarea amoniului în medii apoase [17] .

Au fost dezvoltate dispozitive de protecție a arcului cu senzori cu fibră optică, ale căror principale avantaje față de dispozitivele tradiționale de protecție a arcului sunt: ​​viteză mare, insensibilitate la interferențe electromagnetice, flexibilitate și ușurință de instalare, proprietăți dielectrice.

Fibră optică aplicată în giroscopul laser folosit la Boeing 767 si in unele modele de masini (pentru navigatie). Giroscoapele cu fibră optică sunt folosite în navele spațiale Soyuz [18] . Fibrele optice speciale sunt utilizate în câmpul magnetic interferometric și senzorii de curent electric. Acestea sunt fibre obținute prin rotirea unei preforme cu birefringență puternică încorporată.

Alte utilizări

Fibrele optice sunt utilizate pe scară largă pentru iluminat . Sunt folosite ca ghiduri de lumină în aplicații medicale și în alte aplicații în care lumina puternică trebuie să fie livrată într-o zonă greu accesibilă. În unele clădiri, fibrele optice direcționează lumina soarelui de la acoperiș către o parte a clădirii. De asemenea, în iluminatul auto (indicație pe tabloul de bord).

Iluminatul cu fibră optică este, de asemenea, folosit în scopuri decorative, inclusiv publicitate comercială, artă și brazi artificiali de Crăciun .

Fibra optică este, de asemenea, utilizată pentru imagistica. Fasciculul de lumină transmis de o fibră optică este uneori folosit împreună cu lentilele, cum ar fi într-un endoscop , care este folosit pentru a vizualiza obiecte printr-o deschidere mică.

Fibra optică este utilizată în construcția unui laser cu fibră .

Vezi și

Note

  1. ↑ A. G. Korobeinikov, Yu. A. Gatchin, K. V. Dukelsky, E. V. Ter-Nersesyants. Probleme ale producției de fibre optice  de înaltă rezistență - UDC 681.7.- Buletinul științific și tehnic al ITMO . - numărul 2 (84). – martie-aprilie 2013
  2. ↑ 1 2 Dushutin N. K., Mokhovikov A. Yu. Din istoria fizicii materiei condensate . Din istoria fizicii materiei condensate P. 157. Universitatea de Stat din Irkutsk (2014). Consultat la 21 ianuarie 2016. Arhivat din original pe 27 ianuarie 2016.
  3. ↑ 1 2 Digresiune istorică . Preluat la 28 iunie 2022. Arhivat din original la 14 septembrie 2019.
  4. ↑ 1 2 A Cronologie fibre optice
  5. ↑ Caracteristicile construcției FOCL în Rusia . Preluat la 28 iunie 2022. Arhivat din original la 25 martie 2018.
  6. ↑ Telecom în Rusia 2000-2004 . Preluat la 28 iunie 2022. Arhivat din original la 6 septembrie 2019.
  7. ↑ Istoria OJSC Rostelecom
  8. ↑ „Record Breaking Fiber Transmission Speed ​​​​Reported” Arhivat 19 aprilie 2018 pe Wayback Machine ECN, 17 aprilie 2018
  9. ↑ Salifov I. I. Calculul și compararea mediilor de transmisie ale rețelelor de comunicații backbone moderne după criteriul latenței (întârzierii)  // T-Comm - Telecomunicații și Transport: jurnal. - M . : Editura „Editura Media”, 2009. - Nr. 4 . - S. 42 . Arhivat din original pe 21 ianuarie 2022.
  10. ↑ Comunicat de presă NTT. 14 Tbps peste o singură fibră optică: demonstrație de succes a celei mai mari capacități din lume. 140 de filme digitale de înaltă definiție transmise într-o secundă (link indisponibil) (29 septembrie 2006). Preluat la 3 octombrie 2011. Arhivat din original la 27 mai 2012. 
  11. ↑ MS Alfiad și colab. . 111 Gb/s POLMUX-RZ-DQPSK Transmisie pe 1140 km de SSMF cu 10,7 Gb/s NRZ-OOK Vecini, C. Mo.4.E.2.
  12. ↑ Listvin A.V., Listvin V.N., Shvyrkov D.V. Fibre optice pentru linii de comunicație . - M . : LESARart, 2003. - S.  8 . — 288 p. — 10.000 de exemplare.  - ISBN 5-902367-01-8 .
  13. ↑ Huawei dezvăluie un prototip 400G DWDM Backbone Transmission System . Consultat la 23 septembrie 2013. Arhivat din original pe 26 septembrie 2013.
  14. ↑ A fost creată fibră optică cu o lățime de bandă de până la 255 terabiți pe secundă , Lenta.ru  (28 octombrie 2014). Arhivat din original pe 29 octombrie 2014. Preluat la 29 octombrie 2014.
  15. ↑ Alexander Golyshko, Vitaly Shub. Timpul pentru miracole sau frânele pentru sfârșitul lumii . Media ICS . Jurnalul ICS (7 iulie 2017). Preluat la 21 mai 2018. Arhivat din original la 22 mai 2018.
  16. ↑ TP: Der Glasfaser-Schallwandler . Preluat la 4 decembrie 2005. Arhivat din original la 21 august 2011.
  17. ^ Lopez N. ., Sequeira F. ., Gomez M. S., Rogerio N. N., Bilro L. ., Zadorozhnaya O. A., Rudnitskaya A. M. Senzor cu fibre optice modificat prin grefarea polimerului imprimat molecular pentru detectarea amoniului în medii apoase  // Jurnalul tehnic „Scientific buletin de tehnologii informaţionale, mecanică şi optică”. - 2015. - Nr 4 . — ISSN 2226-1494 . Arhivat din original pe 8 iulie 2015.
  18. ↑ Compania de cercetare și producție „Optolink”: Știri . Consultat la 17 iunie 2013. Arhivat din original pe 18 iunie 2013.

Literatură

Link -uri


  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii