Optisk fiber

Optisk fiber  - en tråd af optisk gennemsigtigt materiale (glas, plastik), der bruges til at overføre lys inde i sig selv gennem total intern refleksion .

Optisk fiber  er et dielektrisk ledende medium designet til at kanalisere elektromagnetiske bølger i det optiske og infrarøde område. Den optiske fiber er af koaksial konstruktion og består af en kerne, en beklædning og en primær acrylatbelægning og er karakteriseret ved en brydningsindeksprofil.

Fiberoptik  er en gren af ​​anvendt videnskab og teknik, der beskriver sådanne fibre. Kabler baseret på optiske fibre ( fiberoptisk kabel ) bruges i fiberoptisk kommunikation , som gør det muligt at transmittere information over længere afstande med en højere datahastighed end i elektronisk kommunikation [1] . I nogle tilfælde bruges de også til at skabe sensorer .

Historie

Princippet om lystransmission brugt i fiberoptik blev først demonstreret i det 19. århundrede, men udbredt anvendelse blev hæmmet af manglen på passende teknologi.

I 1934 modtog amerikaneren Norman R. French patent på et optisk telefonsystem, hvor talesignaler blev transmitteret ved hjælp af lys gennem stænger af rent glas [2] .

I 1950'erne udviklede Brian O'Brien og Narinder Kapanii (som opfandt begrebet fiberoptik i 1956) optiske fibre til billedtransmission. De er blevet anvendt i lysledere brugt i medicin (i endoskopi ) [3] [4] .

I 1962 blev der skabt en halvlederlaser og en fotodiode , der blev brugt som kilde og modtager af et optisk signal [2] .

I 1966 formulerede K. Ch. Kao og J. Hockham kravene til et optisk fiberinformationstransmissionssystem og viste muligheden for at skabe en optisk fiber med en dæmpning på mindre end 20 dB / km . De fandt ud af, at det høje niveau af dæmpning i de første fibre (ca. 1000 dB/km) skyldtes urenhederne i glasset. For dette arbejde modtog Kao 2009 Nobelprisen i fysik .

Men først i 1970 lykkedes det Corning -medarbejdere Robert Maurer og Donald Keck at opnå fiber med lav dæmpning - op til 16 dB / km, på et par år - op til 4 dB / km. Fiberen var multimode, og flere lystilstande blev transmitteret gennem den. I 1983 blev produktionen af ​​single-mode fibre mestret, hvorigennem en tilstand blev transmitteret .

Fiberoptiske kommunikationslinjer (FOCL) blev først brugt til militære formål. I 1973 implementerede den amerikanske flåde første gang fiberoptisk forbindelse ombord på Little Rock . I 1976 udskiftede det amerikanske luftvåben A-7- flyets kabeludstyr med fiberoptisk udstyr, som vejede meget mindre. I 1977 blev en to kilometer lang FOCL lanceret, der forbinder jordsatellitstationen med kontrolcentret.

I 1980 begyndte den første kommercielle FOCL at operere i USA mellem Boston og Richmond [3] [4] .

I USSR dukkede de første fiberoptiske kommunikationslinjer på flere steder op i slutningen af ​​1980'erne. Den første russiske internationale FOCL var St. Petersborg  - Albertslund ( Danmark ) undervandslinje, lagt i 1993 af JSC Sovtelecom [5] [6] (nu PJSC Rostelecom [7] ).

I 2018 gennemførte forskere fra NICT Network System Research Institute og Fujikura Ltd, hvis specialister udviklede en ny type tre-mode (tre-kanals) optisk fiber, et eksperiment, hvor en informationsoverførselshastighed på 159 terabit pr. sekund blev opnået over en afstand på 1045 kilometer. Under normale forhold gør forsinkelser i multimode fiber det vanskeligt samtidig at modtage høje transmissionshastigheder og udføre transmission over lange afstande. Og denne præstation er en slags demonstration af en ny metode til at overvinde begrænsninger [8] .

Materialer

Optiske glasfibre er lavet af kvartsglas , men andre materialer såsom fluorozirconat , fluoroaluminat og chalcogenid-glas kan bruges til det fjerne infrarøde . Ligesom andre glas har disse et brydningsindeks på omkring 1,5.

I øjeblikket udvikles brugen af ​​optiske plastfibre. Kernen i en sådan fiber er lavet af polymethylmethacrylat (PMMA), og kappen er lavet af fluoreret PMMA (fluorpolymerer).

Konstruktion

Optisk fiber har som regel et cirkulært tværsnit og består af to dele - en kerne og en beklædning. For at sikre total intern refleksion er kernens absolutte brydningsindeks lidt højere end beklædningens. Kernen er lavet af rent materiale (glas eller plast) og har en diameter på 9 µm (for single mode fiber), 50 eller 62,5 µm (til multimode fiber). Beklædningen har en diameter på 125 µm og består af et materiale med dopingstoffer, der ændrer brydningsindekset. For eksempel, hvis brydningsindekset for beklædningen er 1,474, så er kernens brydningsindeks 1,479. En lysstråle rettet ind i kernen vil forplante sig langs den og reflektere mange gange fra skallen.

Mere komplekse designs er også mulige: todimensionelle fotoniske krystaller kan bruges som kerne og beklædning , i stedet for en trinændring i brydningsindekset bruges ofte fibre med en gradient brydningsindeksprofil, kernens form kan afvige fra cylindrisk. Sådanne designs giver fibrene specielle egenskaber: opretholdelse af polariseringen af ​​udbredt lys, reduktion af tab, ændring af fiberdispersionen osv.

Optiske fibre, der anvendes i telekommunikation, har typisk en diameter på 125±1 mikron. Kernediameteren kan variere afhængigt af fibertype og nationale standarder.

Klassifikation

Optiske fibre kan være single-mode eller multi-mode. Kernediameteren af ​​single mode fibre er mellem 7 og 10 mikron . På grund af kernens lille diameter forplanter optisk stråling sig gennem fiberen i en (fundamental) tilstand, og som et resultat er der ingen intermode-spredning.

Der er tre hovedtyper af single mode fibre:

  1. single-mode stepped fiber med unshifted dispersion (standard) (SMF eller SM, engelsk  step index s ingle mode fiber ), er defineret af ITU-T G.652 - anbefalingen og bruges i de fleste optiske kommunikationssystemer;
  2. dispersion shifted single mode fiber (DSF eller DS ) er defineret af ITU - T G.653 .  I DSF-fibre flyttes området med nulspredning ved hjælp af urenheder til det tredje gennemsigtighedsvindue , hvor den minimale dæmpning observeres;
  3. non -nul dispersion shifted single mode fiber ( NZDSF , NZDS  eller NZ ,

Multimode fibre adskiller sig fra singlemode fibre i deres kernediameter, som er 50 mikron i den europæiske standard og 62,5 mikron i den nordamerikanske og japanske standard. På grund af kernens store diameter forplanter flere strålingstilstande sig gennem multimodefiberen - hver i sin egen vinkel, på grund af hvilken lysimpulsen oplever dispersionsforvrængning og går fra rektangulær til klokkeformet.

Multimode fibre er opdelt i step- og gradientfibre. I trinformede fibre ændres brydningsindekset trinvist fra beklædningen til kernen. I gradientfibre sker denne ændring anderledes - kernens brydningsindeks stiger jævnt fra kanten til midten. Dette fører til fænomenet brydning i kernen, hvorved virkningen af ​​spredning på forvrængning af den optiske puls reduceres. Brydningsindeksprofilen for en gradientfiber kan være parabolsk , trekantet , brudt og så videre.

Polymer (plast)fibre fremstilles med en diameter på 50, 62,5, 120 og 980 mikrometer og en kappe med en diameter på 490 og 1000 mikrometer.

Ansøgning

Fiberoptisk kommunikation

Optiske fibre bruges hovedsageligt som et medium til transmission af information i fiberoptiske telekommunikationsnetværk på forskellige niveauer: fra interkontinentale motorveje til hjemmecomputernetværk. Anvendelsen af ​​optiske fibre til kommunikationslinjer skyldes, at optisk fiber giver høj sikkerhed mod uautoriseret adgang, lav signaldæmpning ved transmission af information over lange afstande, evnen til at arbejde med ekstremt høje transmissionshastigheder og gennemløb selvom signalets udbredelseshastighed i fibre kan være op til 30 % lavere end i kobbertråde og op til 40 % lavere end udbredelseshastigheden af ​​radiobølger [9] . Allerede i 2006 blev modulationsfrekvensen på 111 GHz [10] [11] opnået , mens hastighederne på 10 og 40 Gbit/s allerede er blevet standard transmissionshastigheder over en enkelt optisk fiberkanal. Samtidig kan hver fiber, ved hjælp af teknologien til spektral multipleksing af kanaler , transmittere op til flere hundrede kanaler samtidigt, hvilket giver en samlet informationsoverførselshastighed beregnet i terabit per sekund. Så i 2008 blev der opnået en hastighed på 10,72 Tbps [12] , og i 2012 - 20 Tbps [13] . Den seneste hastighedsrekord er 255 Tbps [14] .

Siden 2017 har eksperter talt om at nå den praktiske grænse for eksisterende fiberoptiske kommunikationsteknologier og om behovet for grundlæggende ændringer i industrien [15] .

Fiberoptisk sensor

Optisk fiber kan bruges som en sensor til at måle spænding, temperatur, tryk og andre parametre. Den lille størrelse og det virtuelle fravær af behovet for elektrisk energi giver fiberoptiske sensorer en fordel i forhold til traditionelle elektriske sensorer i visse områder.

Optisk fiber bruges i hydrofoner i seismiske eller sonarinstrumenter. Hydrofonsystemer er udviklet med mere end 100 sensorer pr. fiberkabel. Hydrofonsensorsystemer bruges i olieindustrien og også af flåder i nogle lande. Det tyske firma Sennheiser har udviklet en lasermikrofon , hvis hovedelementer er en laseremitter, en reflekterende membran og en optisk fiber [16] .

Fiberoptiske sensorer, der måler temperaturer og tryk, er designet til målinger i oliebrønde. De er velegnede til dette miljø og fungerer ved temperaturer, der er for høje til solid-state sensorer.

Med brugen af ​​polymere optiske fibre skabes der nye kemiske sensorer (sensorer), som er meget udbredt inden for økologi, for eksempel til påvisning af ammonium i vandige medier [17] .

Der er udviklet lysbuebeskyttelsesanordninger med fiberoptiske sensorer, hvis vigtigste fordele i forhold til traditionelle lysbuebeskyttelsesanordninger er: høj hastighed, ufølsomhed over for elektromagnetisk interferens, fleksibilitet og nem installation, dielektriske egenskaber.

Optisk fiber anvendt i lasergyroskopet brugt i Boeing 767 og i nogle bilmodeller (til navigation). Fiberoptiske gyroskoper bruges i Soyuz - rumfartøjer [18] . Særlige optiske fibre bruges i interferometriske magnetfelt- og elektriske strømsensorer. Disse er fibre opnået ved at rotere en præform med stærk indbygget dobbeltbrydning.

Andre anvendelser

Optiske fibre er meget udbredt til belysning . De bruges som lysledere i medicinske og andre applikationer, hvor stærkt lys skal leveres til et svært tilgængeligt område. I nogle bygninger leder optiske fibre sollys fra taget til en del af bygningen. Også i bilbelysning (indikation på instrumentbrættet).

Fiberoptisk belysning bruges også til dekorative formål, herunder kommerciel reklame, kunst og kunstige juletræer .

Optisk fiber bruges også til billeddannelse. Lysstrålen, der transmitteres af en optisk fiber, bruges nogle gange i forbindelse med linser, såsom i et endoskop , som bruges til at se objekter gennem en lille åbning.

Optisk fiber bruges i konstruktionen af ​​en fiberlaser .

Se også

Noter

  1. ↑ A. G. Korobeinikov, Yu. A. Gatchin, K. V. Dukelsky, E. V. Ter-Nersesyants.  Problemer med højstyrke optisk fiberproduktion - UDC 681.7.- Videnskabelig og teknisk bulletin fra ITMO . - udgave 2 (84). – marts-april 2013
  2. ↑ 1 2 Dushutin N. K., Mokhovikov A. Yu. Fra det kondenserede stofs fysiks historie . Fra det kondenserede stofs fysiks historie S. 157. Irkutsk State University (2014). Hentet 21. januar 2016. Arkiveret fra originalen 27. januar 2016.
  3. ↑ 1 2 Historisk digression . Hentet 28. juni 2022. Arkiveret fra originalen 14. september 2019.
  4. ↑ 1 2 En fiberoptisk kronologi
  5. ↑ Funktioner ved konstruktionen af ​​FOCL i Rusland . Hentet 28. juni 2022. Arkiveret fra originalen 25. marts 2018.
  6. ↑ Telecom i Rusland 2000-2004 . Hentet 28. juni 2022. Arkiveret fra originalen 6. september 2019.
  7. ↑ Historien om OJSC Rostelecom
  8. ↑ "Record Breaking Fiber Transmission Speed ​​​​Reported" Arkiveret 19. april 2018 på Wayback Machine ECN, 17. april 2018
  9. ↑ Salifov I. I. Beregning og sammenligning af transmissionsmedier i moderne backbone-kommunikationsnetværk i henhold til kriteriet latens (forsinkelse)  // T-Comm - Telecommunications and Transport: journal. - M . : Forlaget "Media Publisher", 2009. - Nr. 4 . - S. 42 . Arkiveret fra originalen den 21. januar 2022.
  10. ↑ NTT pressemeddelelse. 14 Tbps over en enkelt optisk fiber: Vellykket demonstration af verdens største kapacitet. 140 digitale high-definition-film transmitteret på et sekund (link utilgængeligt) (29. september 2006). Hentet 3. oktober 2011. Arkiveret fra originalen 27. maj 2012. 
  11. ↑ MS Alfiad, et al. . 111 Gb/s POLMUX-RZ-DQPSK Transmission over 1140 km SSMF med 10,7 Gb/s NRZ-OOK Neighbours, C. Mo.4.E.2.
  12. ↑ Listvin A.V., Listvin V.N., Shvyrkov D.V. Optiske fibre til kommunikationslinjer . - M . : LESARart, 2003. - S.  8 . — 288 s. — 10.000 eksemplarer.  - ISBN 5-902367-01-8 .
  13. ↑ Huawei afslører prototype 400G DWDM Backbone Transmission System . Hentet 23. september 2013. Arkiveret fra originalen 26. september 2013.
  14. ↑ Optisk fiber med en båndbredde på op til 255 terabit per sekund blev oprettet , Lenta.ru  (28. oktober 2014). Arkiveret fra originalen den 29. oktober 2014. Hentet 29. oktober 2014.
  15. ↑ Alexander Golyshko, Vitaly Shub. Tid til mirakler eller bremser til verdens ende . ICS medier . ICS Journal (7. juli 2017). Hentet 21. maj 2018. Arkiveret fra originalen 22. maj 2018.
  16. ↑ TP: Der Glasfaser-Schallwandler . Hentet 4. december 2005. Arkiveret fra originalen 21. august 2011.
  17. ↑ Lopez N. ., Sequeira F. ., Gomez M. S., Rogerio N. N., Bilro L. ., Zadorozhnaya O. A., Rudnitskaya A. M. Fiberoptisk sensor modificeret ved molekylært præget polymerpodning til påvisning af ammonium i vandige medier  // Journal "Videnskabeligt bulletin for informationsteknologi, mekanik og optik". - 2015. - Nr. 4 . — ISSN 2226-1494 . Arkiveret fra originalen den 8. juli 2015.
  18. ↑ Forsknings- og produktionsselskabet "Optolink": Nyheder . Hentet 17. juni 2013. Arkiveret fra originalen 18. juni 2013.

Litteratur

Links


  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier