Одномодовое волокно это: Преимущества и недостатки оптического волокна

Содержание

Многомодовое кварцевое оптическое волокно (MM)

Оптические волокна, у которых и сердцевина, и оболочка изготовлены из кварцевого стекла, являются самым распространенным типом оптических волокон. Кварцевые оптические волокна способны передавать информационный сигнал в виде световой волны на значительные расстояния, благодаря чему уже несколько десятилетий широко применяются в телекоммуникациях.

Как известно, все кварцевые волокна делятся на одномодовые (SM – single-mode) и многомодовые (MM – multimode), в зависимости от количества распространяемых мод оптического излучения. Одномодовые волокна используются для высокоскоростной передачи данных на большие расстояния, а многомодовые хорошо подходят для менее протяженных линий. В этой статье речь пойдет о многомодовом волокне, его особенностях, разновидностях и областях применения. Одномодовому волокну посвящена отдельная статья. Базовые вопросы волоконно-оптической связи (понятие оптоволокна, его основные характеристики, понятие моды…) обсуждаются в статье «Оптическое волокно».

Стоит отметить, что многомодовыми бывают не только кварцевые волокна, но и волокна, изготавливаемые из других материалов, например, пластиковое оптическое волокно (POF) и кварцевое волокно с полимерной оболочкой (HCS). В этой статье будет говориться только о кварцевых многомодовых волокнах.

Структура кварцевого многомодового волокна

В оптическом волноводе может одновременно распространяться несколько пространственных мод оптического излучения. Количество распространяющихся мод зависит, в частности, от геометрических размеров оптоволокна. Волокно, в котором распространяется больше одной моды оптического излучения, называется многомодовым. В телекоммуникациях в основном применяются кварцевые многомодовые волокна с диаметром сердцевины и оболочки 50/125 и 62,5/125 мкм (также встречается устаревшее волокно 100/140 мкм).

Многомодовое кварцевое волокно имеет и сердцевину, и оболочку из кварцевого стекла. В процессе производства путем легирования исходного материала определенными примесями достигается нужный профиль показателя преломления.

Если стандартное одномодовое волокно имеет ступенчатый профиль показателя преломления (показатель преломления одинаков во всех точках поперечного сечения сердцевины), то в случае многомодового волокна чаще всего формируется градиентный профиль (показатель преломления плавно уменьшается от центральной оси сердцевины к оболочке). Это делается, для того чтобы снизить влияние межмодовой дисперсии. При градиентном профиле моды высшего порядка, которые попадают в волокно под бо́льшим углом и распространяются по более длинным траекториям, имеют и бо́льшую скорость, чем те, которые распространяются вблизи сердцевины (рис. 1). Встречаются также многомодовые волокна с другим профилем показателя преломления.

Рис. 1. Градиентное многомодовое волокно

Кварцевое волокно имеет спектральную характеристику затухания с тремя окнами прозрачности (наименьшего затухания) – около длин волн 850, 1300 и 1550 нм. Для работы с многомодовым волокном в основном используются длины волн 850 и 1300 (1310) нм. Типичные значения затухания на этих длинах волн – 3,5 и 1,5 дБ/км соответственно.

Для защиты волокна на оптическую оболочку наносится первичное покрытие из полимерного материала (чаще всего акрила), которое окрашивается в один из двенадцати стандартных цветов. Диаметр оптоволокна с покрытием обычно составляет около 250 мкм. Волоконно-оптический кабель состоит из одного или нескольких волокон с первичным покрытием, а также различных упрочняющих и защитных элементов. В простейшем случае многомодовый оптический кабель представляет собой оптическое волокно, окруженное кевларовыми нитями и помещенное во внешнюю защитную оболочку оранжевого цвета (рис. 2).

Рис. 2. Симплексный многомодовый кабель

Сравнение с одномодовым волокном

Из-за влияния межмодовой дисперсии (рис. 3) многомодовое волокно имеет ограничения в скорости и дальности распространения информации по сравнению с одномодовым. Влияние хроматической и поляризационной модовой дисперсии значительно меньше. Длину многомодовых линий связи ограничивает также большое по сравнению с одномодовым волокном затухание.

Рис. 3. Уширение импульса в многомодовом волокне в результате межмодовой дисперсии

В то же время благодаря большому диаметру снижаются требования к расходимости излучения источника сигнала, а также к юстировке активных (передатчики, приемники…) и пассивных (коннекторы, адаптеры…) компонентов. Поэтому оборудование для многомодового волокна дешевле, чем для одномодового (хотя само многомодовое волокно несколько дороже).

История и классификация

Как уже упоминалось ранее, наибольшее распространение получили многомодовые волокна 50/125 и 62,5/125 мкм. Первые коммерческие многомодовые волокна, производство которых началось в 1970-х годах, имели диаметр сердцевины 50 мкм и ступенчатый профиль показателя преломления. В качестве источников оптического излучения использовались светодиоды (LED). Увеличение передаваемого трафика привело к появлению волокон с сердцевиной 62,5 мкм. Бо́льший диаметр позволял более эффективно использовать излучение светодиода, которое отличается большой расходимостью. Однако при этом увеличивалось число распространяемых мод, что, как известно, отрицательно сказывается на характеристиках передачи. Поэтому, когда вместо светодиодов стали использоваться узконаправленные лазеры, популярность снова стало обретать волокно 50/125 мкм. Дальнейшему росту скорости и дальности передачи информации способствовало появление волокон с градиентным профилем показателя преломления.

Волокна, используемые со светодиодами, имели различные дефекты и неоднородности возле оси сердцевины, то есть в той области, где сосредоточена бо́льшая часть излучения лазера (рис. 4). Поэтому возникла необходимость в совершенствовании технологии производства, что привело к появлению волокон, которые стали называть «оптимизированными для работы с лазерами» (laser-optimized fiber).

Рис. 4. Различие в распространении излучения LED и лазера в оптическом волокне

Так появилась классификация многомодовых кварцевых волокон, которая затем была подробно описана в различных стандартах.

Стандарт ISO/IEC 11801 выделяет 4 категории многомодовых волокон, названия которых прочно вошли в обиход. Они обозначаются латинскими буквами OM (Optical Multimode) и цифрой, обозначающей класс волокна:

OM1 – стандартное многомодовое волокно 62,5/125 мкм;
OM2 – стандартное многомодовое волокно 50/125 мкм;
OM3 – многомодовое волокно 50/125 мкм, оптимизированное для работы с лазером;
OM4 – многомодовое волокно 50/125 мкм, оптимизированное для работы с лазером, с улучшенными характеристиками.

Для каждого класса в стандарте указаны значения затухания и ширины полосы пропускания (параметр, определяющий скорость передачи сигнала). Данные представлены в таблице 1. Обозначения OFL (overfilled launch) и EMB (effective modal bandwidth) указывают на разные методы определения ширины полосы пропускания при использовании светодиодов и лазеров соответственно.

Таблица 1. Параметры многомодовых оптических волокон разных классов.

Класс волокна	Затухание, дБ/км		Минимальная ширина полосы пропускания (OFL), МГц*км		Минимальная ширина полосы пропускания (EMB), МГц*км
Класс волокна	850 нм	1300 нм	850 нм	1300 нм	850 нм
OM1	3,5	1,5	200	500	—
OM2			500	500	—
OM3			1500	500	2000
OM4			3500	500	4700

Сегодня производители волокон также выпускают волокна классов OM1 и OM2, оптимизированные для работы с лазером. К примеру, волокна компании Corning – ClearCurve OM2 и InfiniCor 300 (OM1) – подходят для использования с лазерными источниками излучения.

Другие отраслевые стандарты (IEC 60793-2-10, TIA-492AA, ITU G651.1) проводят похожую классификацию многомодовых кварцевых волокон.

Помимо этих основных классов, выпускается большое разнообразие других разновидностей многомодовых волокон, отличающихся теми или иными параметрами. Среди них отдельно стоит выделить многомодовые волокна с малыми потерями на изгибах для прокладывания в ограниченном пространстве и волокна с уменьшенным радиусом защитного покрытия (200 мкм) для более компактного размещения в многоволоконных кабелях.

Применение кварцевого многомодового волокна

Одномодовое волокно, бесспорно, превосходит многомодовое по своим оптическим характеристикам. Однако поскольку системы связи на основе одномодового волокна обходятся дороже, во многих случаях, прежде всего в непротяженных линиях, целесообразно применять многомодовое волокно.

Область применения многомодового волокна во многом определяется типом используемого излучателя и рабочей длиной волны. Для передачи по многомодовому волокну чаще всего используются излучатели трех типов:

Светодиоды (850/1300 нм). Из-за большой расходимости излучения и ширины спектра светодиоды могут использоваться для передачи на короткие дистанции и на маленькой скорости. При этом линии на основе светодиодов отличаются невысокой стоимостью по причине низкой цены самих светодиодов и возможности использовании более дешевых волокон OM1 и OM2.
Лазеры с резонатором Фабри-Перо (1310 нм, реже 1550 нм). Поскольку лазеры FP (Fabry-Perot) имеют достаточно большую ширину спектра (2 нм), они используются в основном с многомодовым волокном.

Лазеры VCSEL (850 нм). Особая конструкция вертикально-излучающих лазеров (VCSEL – vertical-cavity surface-emitting laser) способствует удешевлению процесса их производства. Излучение VCSEL характеризуется малой расходимостью и симметричной диаграммой направленности, однако его мощность ниже, чем мощность излучения FP лазера. Поэтому VCSEL хорошо подходят для коротких высокоскоростных линий, а также для систем параллельной передачи данных.

В таблице 2 представлены значения дальности передачи информации по многомодовому волокну четырех основных классов в различных распространенных сетях (данные взяты с сайта The Fiber Optic Association). Эти приблизительные значения помогают оценить возможность применения многомодового кварцевого волокна на практике.

Таблица 2. Дальность передачи сигнала по многомодовым волокнам разных классов (в метрах).

Сеть	Скорость передачи	Стандарт	OM1		OM2		OM3		OM4
Сеть	Скорость передачи	Стандарт	850 нм	1300 нм	850 нм	1300 нм	850 нм	1300 нм	850 нм	1300 нм
Fast Ethernet	100 Мбит/с	100BASE-SX	300	—	300	—	300	—	300	—
Fast Ethernet	100 Мбит/с	100BASE-FX	2000	—	2000	—	2000	—	2000	—
Gigabit Ethernet	1 Гбит/с	1000BASE-SX	275	—	550	—	800	—	880	—
Gigabit Ethernet	1 Гбит/с	1000BASE-LX	—	550	—	550	—	550	—	550
10 Gigabit Ethernet	10 Гбит/с	10GBASE-S	33	—	82	—	300	—	450	—
		10GBASE-LX4	—	300	—	300	—	300	—	300
		10GBASE-LRM	—	220	—	220	—	220	—	220
40 Gigabit Ethernet	40 Гбит/с	40GBASE-SR4	—	—	—	—	100	—	125	—
100 Gigabit Ethernet	100 Гбит/с	100GBASE-SR10	—	—	—	—	100	—	125	—
1G Fibre Channel	1,0625 Гбит/с	100-MX-SN-I	300	—	500	—	860	—	860	—
2G Fibre Channel	2,125 Гбит/с	200-MX-SN-I	150	—	300	—	500	—	500	—
4G Fibre Channel	4,25 Гбит/с	400-MX-SN-I	70	—	150	—	380	—	400	—
10G Fibre Channel	10,512 Гбит/с	1200-MX-SN-I	33	—	82	—	300	—	300	—
16G Fibre Channel	14,025 Гбит/с	1600-MX-SN	—	—	35	—	100	—	125	—
FDDI	100 Мбит/с	ANSI X3. 166	—	2000	—	2000	—	2000	—	2000

________________________________________________________________

Другие статьи об оптическом волокне и его разновидностях:

Оптическое волокно — Циклопедия

Связка оптических световодов. Теоретически, при использовании передовых технологий, таких как DWDM, с ограниченным количеством волокон, можно получить достаточную пропускную способность, с помощью которой легко было бы передать всю необходимую информацию, в которой нуждается планета (около 100 терабит в секунду, всего в одном оптическом волокне. )

Галилео.

Оптоволокно

«Познавательный фильм»: Оптоволокно // Москва 24

Оптическое волокно — кварцевое, стеклянное или полимерное волокно, предназначенное для передачи света на расстояние.

Нити из оптически прозрачного материала используются для передачи информации световыми импульсами с использованием эффекта полного внутреннего отражения.

Оптические волокна используются в сетях передачи данных вместо металлических проводов, т. к. сигналы проходят по ним с меньшими потерями, и они совершенно не подвержены действию внешних электромагнитных излучений; они имеют меньший вес и стоимость в эквивалентном информационном применении. Оптические волокна могут использоваться для локального освещения. Оптические волокна, собранные в пучки и упакованные в виде многоволоконных световодов, могут использоваться для передачи изображения, позволяя рассматривать, фотографировать или передавать оптическое изображение с труднодоступных объектов.

Специально разработанные оптические волокна используются для применения в других целях, например оптические волокна для передачи мощного лазерного излучения, всевозможные оптоволоконные датчики и др. Оптоволоконные кабели (состоящие из определённого количества волокон в защитной оболочке) используются в волоконно-оптической связи, позволяющей передавать информацию на бо́льшие расстояния с более высокой скоростью передачи данных, чем в проводных электронных системах связи. Такие кабели имеют меньший вес и меньшую стоимость, нежели традиционные медные.

Принцип передачи света внутри стеклянных стержней был впервые продемонстрирован во времена королевы Виктории (1837—1901 гг. ), но развитие современных оптических волокон началось в 1950-х годах, когда появились успехи в получении сверхчистого кварца, чувствительных полупроводниковых фотоприёмников и твёрдотельных полупроводниковых излучателей. Они стали использоваться в средствах связи несколько позже, в 1970-х; с этого момента технический прогресс позволил значительно увеличить диапазон применения волоконной оптики, заметно снизилась стоимость систем оптоволоконной связи и потери сигнала при его передаче.

Волоконно-оптические приборы могут быть пассивными и активными. К активным волоконно-оптическим приборам относятся лазеры, приёмники излучения, усилители и др. К пассивным волоконно-оптическим компонентам относятся изоляторы, зеркала, соединители, ответвители мультиплексоры, демультиплексоры и др.

Основой волоконно-оптического прибора является его оптическая схема — набор волоконно-оптических компонент, соединенных в определённой последовательности. Оптические схемы могут быть замкнутые или разомкнутые, с обратной связью или без нее.

→ Волоконная оптика

Рис.1, Дэниел Колладон сначала описал этот эффект в 1842 году, в статье, названной «О распространении луча света в параболическом жидком потоке». Иллюстрация взята из более поздней статьи Colladon, в 1884

‎

Попытки использовать свет, для передачи информации уходят к временам, когда человек только научился сохранять огонь. Всевозможные сигналы, с помощью костров, фонарей, маяков человечество использовало тысячелетия.

В 1790 году, во Франции, Колд Шапп построил систему оптического телеграфа состоящую из цепи семафорных башен с сигнальными рычагами. Следующий большой шаг сделал в 1880 году американец Александр Грэхем Белл. Он изобрёл фотофон, в котором речевые сигналы передавались с помощью света. Однако эта идея не нашла практического применения. Погода и состояние атмосферы не позволяли гарантированно передавать сигнал на приемлемые расстояния. Атмосфера, как среда передачи была неудобна.

Дэниел Колладон ещё в 1842 году описал эффект названный «световой фонтан» или «световая труба», а в 1870 году, английский физик Джон Тиндаль продемонстрировал (см. Рис.1), что свет может передаваться в потоке воды. В его экспериментах использовался принцип полного внутреннего отражения, который используется в современных световодах.

Следующим заметным этапом был патент, который получил в 1934 году американец Норман Р. Френч на оптическую телефонную систему. Он предлагал модулировать речевыми сигналами свет и передавать его по системе «кабелей» состоящих из стержней изготовленных из чистого стекла. Для реализации этого проекта необходимо было иметь подходящий источник излучения и возможность изготовления сверхчистого материала для светопроводящих стержней. Технически реализовать его идею удалось только спустя четверть века.

В 1958 году американцы Артур Шавлов и Чарльз Г. Таунс, и независимо советские физики Прохоров и Басов разработали лазер. Первые лазеры начали работать в 1960 году. Позже, в 1962 году советский учёный Ж. Алфёров предсказал возможность создания гетеропереходов и построение на их основе полупроводниковых лазерных излучателей. Позже были созданы полупроводниковые светодиодные и лазерные излучатели. К этому времени уже были разработаны полупроводниковые фотодиоды. Но для построения эффективных сетей передачи данных необходимо было иметь световоды с коэффициентом затухания не более 20 дБ/км. Лучшие на то время световоды использующиеся в медицине для прямой передачи изображения на короткие расстояния составляло порядка 1000 дБ/км.

Прорыв был произведён в 1970 году компанией Corning. Они получили оптические волокна со ступенчатым профилем показателя преломления с коэффициентом затухания на длине волны 633 нм. менее 20 дБ/км. Уже к 1972 году удалось уменьшить коэффициент затухания на длине волны 850 нм. до 4 дБ/км. Современные многомодовые волокна имеют коэффициент затухания на длине волны 850 нм. не более 2,7 дБ/км., одномодовые волокна имеют коэффициент затухания на длине волны 1550 нм. не более 0,2 дБ/км.

Первые волоконно-оптические кабели были пущены в эксплуатацию для телефонной связи на кораблях военно-морского флота США в 1973 году. Позже они стали активно использоваться в авиации, позволяя полностью исключить помехи в каналах передачи данных и при этом существенно уменьшить вес оборудования.

Первый стандартный подводный волоконно-оптический кабель (ТАТ-8) был успешно проложен через Атлантический океан в 1988 году

[править] Профили волоконных световодов

Основные профили оптического волокна:

треугольный профиль,
параболический профиль,
ступенчатый профиль.

В последнем случае, при ступенчатом профиле, показатель преломления в стекле сердцевины остаётся постоянным, для остальных случаев, показатель преломления постепенно увеличивается от величины n2 для стекла оболочки, до величины n1 у оси волоконного световода. Последние называют градиентными профилями распределения показателя преломления.

[править] Типы оптических волокон

В настоящее время используют два типа оптического волокна: многомодовые и одномодовые. Все современные оптические волокна использующиеся для построения сетей передачи данных имеют одинаковый внешний диаметр равный — 125 мкм. Для механической защиты волокна покрывают оболочкой (первичное буферное покрытие) её толщина — 250 мкм. Для упрощения работы с многоволоконными кабелями, буферное покрытие волокон находящихся в одном кабеле окрашивают в различные цвета. Для кабелей в которых используется большое количество волокон, оптические волокна склеиваются в плоские шлейфы (чаще всего по 8 волокон). Далее эти шлейфы укладывают параллельно в «стопки» и помещают в специальные полости внутри оболочки кабеля. Таким образом достигается максимально плотная паковка волокон в кабель с ограниченным внешним диаметром. Оптические волокна использующиеся для кабелей предназначенных для прокладки внутри помещений и для кабелей применяемых для изготовления соединительных шнуров, обычно покрывают ещё одной оболочкой (вторичное буферное покрытие), её толщина — 900 мкм. В многоволоконных кабелях эту оболочку так-же делают различных цветов.

[править] Многомодовые волокна

→ Многомодовое оптическое волокно

Рис.

1,Распространение света через многомодовое оптическое волокно Рис.2, многомодовое оптическое волокно — G 50/125мкм

Многомодовое волокно — волокно с большим диаметром сердцевины по которой проходит свет. Такое название объясняется спецификой прохождения электромагнитной волны по сердечнику волокна (см. ниже). В стандартном многомодовом волокне со ступенчатым профилем преломления, лучи света распространяются по сердцевине волокна благодаря эффекту полного внутреннего отражения. При этом, лучи света встречающие границу (торец оптического волокна) под острым углом (измеренным относительно осевой линии), входя во внутрь волокна, полностью отражаются, двигаясь в сердцевине волокна. Критический угол (максимальный угол для полного внутреннего отражения) определяется средой преломления между материалами оболочки и сердцевины волокна. Лучи, которые сталкиваются с границей под углом большим, чем критический, преломляются, проходя из сердцевины в оболочку, и не передают свет, т. е. информацию вдоль волокна. Критический угол равен максимальному углу входящего в волокно излучения и зависит от величины диаметра сердцевины волокна. Высокая числовая апертура (диаметр сердцевины) вынуждают свет проходящий под различными углами, подвергаться эффекту дисперсии, при этом происходит существенное наложение лучей света в сердцевине. Большой диаметр сердцевины увеличивает дисперсию, поскольку лучи под различными углами имеют различные длины траекторий и поэтому затрачивают различное время на прохождение всей длины волокна.

МОВ состоят из сердцевины и оболочки. Снаружи волокна имеют до нескольких защитных буферных покрытий (оболочек).

Структура стандартного многомодового оптического волокна G 50/125 (G 62,5/125) мкм в соответствии со Стандарт EN 188200; Стандарт VDE 0888, часть 105; Рекомендация МСЭ-Т (ITU-T) G.651; Стандарт МЭК “IEC 60793-2”:

диаметр светопроводящего ядра (сердцевины) 50 (62,5) ± 3 мкм;
допуск на некруглость 3 мкм;
внешний диаметр оптического волокна 125 ± 2 мкм;
допуск на некруглость 2,5 мкм;
допуск на эксцентриситет между сердцевиной и внешним диаметром волокна 3 мкм;
внешний диаметр первичной защитной оболочки 250 ± 10 мкм;
внешний диаметр вторичной защитной оболочки 900 ± 10 мкм

Многомодовые волокна со ступенчатым профилем

Первые волокна для передачи данных были многомодовыми со ступенчатым профилем показателя преломления. Для распространения света благодаря полному внутреннему отражению, необходимо иметь показатель преломления стекла сердцевины n₁, немного большим, чем показатель преломления стекла оболочки n₂. На границе раздела двух стеклянных сред должно выполняться условие: n₁ > n₂. Если показатель преломления сердцевины оптического волокна n₁ одинаков по всему поперечному сечению, то тогда говорят, что волокно имеет ступенчатый профиль. Такой волоконный световод является многомодовым. Импульс света, распространяющийся в нем, состоит из многих составляющих, направляемых в отдельных модах световода. Каждая из этих мод возбуждается на входе волокна под своим определённым углом ввода в световод и направляется по нему вдоль сердцевины, проходя с различным траекториями движения луча. Каждая мода проходит разное расстояние оптического пути и поэтому проходит всю длину световода за разное время. При этом, если мы подадим на вход световода короткий (прямоугольный) импульс света, то на выходе многомодового световода получим «размытый» по времени импульс. Эти искажения, обусловленные дисперсией времени задержки отдельных мод, называются модовой дисперсией.

Многомодовые волокна с градиентным профилем

В многомодовом оптическом волокне со ступенчатом профилем, моды распространяются по оптическим путям разной длинны и поэтому приходят к концу световода в разное время. Эта дисперсия может быть значительно уменьшена, если показатель преломления стекла сердцевины уменьшается параболически от максимальной величины n₁ у оси световода, до величины показателя преломления n₂ на поверхности границы раздела с оболочкой. Оптический волновод с таким профилем, (когда показатель преломления плавно изменяется) называется градиентным волоконным световодом. Лучи света проходят по такому волокну по волно- или винтообразным спиралям. Чем дальше отклоняется луч света от оси световода, тем сильнее он заворачивается обратно к оси. При этом, так как показатель преломления от оси к краю сердцевины уменьшается, то увеличивается скорость распространения света в среде. Благодаря этому более «длинные» оптические пути компенсируются меньшим временем прохождения. В результате различие временных задержек различных лучей почти полностью исчезает.

[править] Одномодовые волокна

→ Одномодовое оптическое волокно

Рис.1,Структура стандартного одномодового волокна Рис.2,Одномодовое оптическое волокно E 9,5/125 мкм

Одномодовое волокно — волокно, основной диаметр сердцевины которого, приблизительно в семь — десять раз больше длины волны, проходящего по нему света.

Структура стандартного одномодового оптического волокна E 9,5/125 мкм (см. рис.1, рис.2) в соответствии со Стандарт EN 188100; Стандарт VDE 0888, часть 102; Рекомендация МСЭ-Т (ITU-T) G.652; Стандарт МЭК “IEC 60793-2”:

диаметр светопроводящего ядра (сердцевины) 9,5 ± 1 мкм;
внешний диаметр оптического волокна 125 ± 3 мкм;
допуск на некруглость 2,5 мкм;
допуск на эксцентриситет между сердцевиной и внешним диаметром волокна 1 мкм;
внешний диаметр первичной защитной оболочки 250 ± 10 мкм;
внешний диаметр вторичной защитной оболочки 900 ± 10 мкм

Волокно со ступенчатым профилем

Модовая дисперсия в оптическом волокне может быть исключена, если структурные параметры ступенчатого световода подобрать таким образом, что в нём будет направляться только одна мода, а именно — фундаментальная (основная) мода. Однако и основная мода так-же уширяется во времени по мере её прохождения по такому световоду. Это явление называется хроматической дисперсией. Она является свойством материала, поэтому как правило, имеет место в любом оптическом световоде, но в диапазоне длин волн от 1200 до 1600 нм она относительно мала или отсутствует. Для изготовления ступенчатого волоконного световода с малым затуханием, который направляет только фундаментальную моду в диапазоне длин волн более 1200 нм диаметр поля моды должен быть уменьшен до 8-10 мкм. Такой ступенчатый волоконный световод называется стандартным одномодовым оптическим волокном.

Волокна с многоступенчатым профилем

Профиль показателя преломления обычного одномодового световода имеет ступенчатый профиль. Для такой структуры профиля сумма дисперсии материала в волноводной дисперсии при длине волны около 1300 нм равна нулю. Для современных устройств передачи данных по оптическому волокну, использующих длины волн 1550 нм или одновременную передачу сигналов на нескольких длинах волн, желательно иметь нулевую дисперсию и при других длинах волн. А для этого необходимо изменить волновую дисперсию и, следовательно, структуру профиля волоконного световода. Это приводит к многоступенчатому или сегментному профилям показателей преломления в волокне. Используя эти профили, можно производить волоконные световоды, у которых длина волны с нулевой дисперсией сдвинута до 1550 нм (волокно со смещённой дисперсией) или величины дисперсии очень малы во всём диапазоне волн от 1300 нм до 1550 нм (волокно со сглаженной или компенсированной дисперсией).

[править] Причины ослабления сигнала

Ослабление сигнала в оптических волокнах выражается в уменьшении интенсивности светового луча (сигнала) в зависимости от расстояния при его прохождении через сердцевину волокна. Ослабление сигнала в волоконной оптике обычно измеряют в единицах dB, а ослабление сигнала в оптическом волокне в dB/km. Ослабление — важный фактор, ограничивающий передачу цифрового сигнала на большие расстояния. Основное ослабление излучения в оптических системах вызвано рассеиванием, поглощением и отражением в местах соединения волокна и в самом волокне.

[править] Специальные волокна

[править] Активное волокно

Волокно, способное усиливать или генерировать сигнал определенной частоты. Это достигается введением в кварцевое волокно редкоземельных металлов в зависимости от требуемой частоты усиления. Так, иттербиевые (Yb) примеси дают усиление на длинах волн 1,06 — 1,3 мкм, а эрбиевые (Er) на длине волны 1,5 мкм. Длина волны усиления определяется физическими параметрами материала легирующей примеси (шириной энергетического перехода возбуждённых электронов с одной орбиты атома примеси на другую, с одновременным излучением фотона).

[править] Пассивное волокно

Волокно, не обладающее свойствами усиления используется для удалённого соединения активных и пассивных волоконно-оптических компонент между собой.

[править] 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.

[править] Устройство волоконно-оптических компонентов

[править] Зеркала и фильтры

Зеркалом называется компонент, отражающий излучение определенной частоты с определенным коэффициентом отражения. Фильтр, в свою очередь, пропускает излучение определенной частоты, как правило, в узком частотном диапазоне, а остальное излучение поглощает или рассеивает. Для изготовления зеркал и фильтров используются дифракционные решетки, нанесенные на участок сердцевины волокна. Аналог штрихов в дифракционной решётке, может выполнять ультрафиолетовая засветка, которая изменяет свойства волокна в месте облучения. Одна и та же дифракционная решетка для разных частот сигнала, может быть либо зеркалом, либо фильтром.

[править] Объединители и разветвители

Представляют собой два параллельных волокна, лишённые оболочки и соприкасающиеся между собой. Соприкосновение и фиксация волокон достигается при высоких температурах — выше температуры плавления волокна. Таким образом, участки волокон сплавляются воедино. В зависимости от длины общего участка, в результате интерференции волн, можно получить заданный коэффициент деления входного сигнала на два выходных волокна.

Объединители и разветвители могут также строиться на элементах микрооптики, включая микролинзы и частично-прозрачные зеркала с заданным коэффициентом деления.

Известны конструкции 1980-х гг. с сошлифованными до светопроводящей сердцевины и механически соединенными волокнами. Однако наиболее распространены сплавные.

[править] Диоды накачки

Как и в случае обычных лазеров для начала усиления и генерации необходима накачка активной среды. Для накачки активных волокон используют полупроводниковые лазерные диоды. На выходе из полупроводникового кристалла лазерный пучок коллимируют и вводят в волокно. Выбор длины волны диодов накачки обусловлен пиками поглощения активных волокон, которые приходятся на узкие диапазоны в районах 0.81 мкм, 0.98 мкм и 1.48 мкм. Для иттербиевых волокон наиболее эффективна накачка в диапазоне 0.95-0.98 мкм.

Глядя на отношение длин волн накачки и сигнала можно определить максимально возможный КПД лазеров и усилителей. Для иттербиевых волокон он будет 0.95:1.06=90 %. На практике, КПД, конечно оказывается ниже.

[править] Волоконно-оптичеcкая связь

→ Волоконно-оптическая связь

[править] Волоконно-оптический датчик

→ Волоконно-оптический датчик

Волоконно-оптический датчик в виде плоской катушки оптического волокна

Волоконно-оптический датчик — это датчик, который в качестве основного элемента использует оптическое волокно. Волоконно-оптические датчики можно разделить на датчики, в которых оптическое волокно используется в качестве линии передачи, и датчики в которых оптическое волокно используется в качестве чувствительного элемента.

из-за своего небольшого размера они могут быть очень компактны, нет необходимости подвода внешнего питания, что позволяет размещать их в удаленном месте, кроме того большое число датчиков возможно подключить к одному волокну методом мультиплексирования с использованием различных длин волн излучения для каждого датчика, либо путем измерения времени задержки данных от каждого датчика.

Волоконно-оптические датчики могут противостоять высоким температурам и давлениям. Они невосприимчивы к электромагнитным помехам и являясь диэлектриками не проводят электричество, что позволяет использовать их в местах, где есть опасность воздействия высокого напряжения или работа в горючих и взрывоопасных средах, таких как например топливные баки для реактивных двигателей.

Основным преимуществом компактных датчиков является возможность их установки в местах, недоступных для других типов датчиков. Примером является измерение температуры внутри реактивных двигателей. Волоконно-оптические датчики также могут быть использованы например для измерения внутренней температуры в электрическом трансформаторе, где из-за наличия мощного электромагнитного поля другие методы измерения невозможны.

Современные волоконно-оптические датчики позволяют измерять почти всё. Например, давление, температуру, расстояние, положение в пространстве, скорость вращения, скорость линейного перемещения, ускорение, вращающего момента, скручивания, колебания, вибрации, массу, звуковые волны, уровень жидкости, деформацию, коэффициент преломления, электрическое поле, электрический ток, магнитное поле, концентрацию газа, концентрацию различных загрязнений, дозу радиационного излучения и т. д.

Основными элементами волоконно-оптического датчика являются оптическое волокно, светоизлучающие (источники света) и светоприёмные устройства, оптический чувствительный элемент.

Волоконно-оптические датчики не подвержены электромагнитным помехам (EMI), даже вблизи разряда молнии, и сами по себе не электризуют другие устройства. Материалы из которых они изготовлены могут быть химически инертны, то есть не загрязняют окружающую среду, и не подвержены коррозии.

Оптическое волокно используется при изготовлении гидрофонов в сейсмических и гидролокационных приборах. Системы с волоконнооптическими датчиками широко используются в нефтедобывающей промышленности. Для неё разработаны оптоволоконные датчики измеряющие температуру и давление непосредственно в нефтяных скважинах. Оптоволоконные датчики хорошо приспособлены для выполнения таких задач, так как работают при температурах, слишком высоких для полупроводниковых датчиков.

Применение волоконно-оптических датчиков кардинально изменило некоторые типы приборов. Так например волоконно-оптические гироскопы очень надежны, так как у них отсутствуют механические движущиеся части и при этом они очень точны.

На базе оптического волокна были разработаны интерференционные датчики, для оптических гироскопов, которые используются например в авиалайнерах Боинг 767.

[править] Освещение

Бронхоскоп

Световоды широко используются при изготовлении различных элементов индикации, светового оформления рекламы и подсветки. Например, пучки световодов (световоды) используются в медицинских и других аналогичных целях там, где яркий свет необходимо доставить в труднодоступную зону. В некоторых случаях световоды используются в элементах индикации например для обозначения маршрута от исходной точки в какую-нибудь часть здания. Освещение при помощи оптических световодов часто используется и в декоративных целях, включая коммерческую рекламу и всевозможные праздничные гирлянды.

[править] Оптическая передача изображения

Оптические световоды совместно с объективом используется в устройствах для формирования изображения. Плотный пучок тонких оптических волокон, тщательным образом объединённый с обеих сторон (световод) используется в эндоскопах, предназначенных для осмотра или фотографирования объектов через маленькое отверстие. При этом, проектируемое на торец сваренных воедино световодов изображение, разбивается на большое число фрагментов (размером равным диаметру используемых в световоде оптических волокон) и передаётся на другой конец световода. Там, эти волокна снова плотно соединяются между собой в строгом соответствии с «принимающей» изображение стороной (иначе каждый фрагмент исходного изображения будет попадать на «не своё» место). В итоге на втором торце мы получим проектируемое на первый торец изображение.

Горный-хрусталь SiO₂

→ Кварц

Четырёхгранная структурная решётка кварца (SiO₂)

Кварц (от нем. Quarz), происходящего в свою очередь от twarc, что означает «твёрдый»^[1]. По другим данным произошло от нем. Querklüfterz, Quererz — «руда секущих жил».^[2]. Кварц — один из самых распространённых минералов в земной коре, породообразующий минерал большинства магматических и метаморфических пород. Содержание кварца в земной коре составляет порядка 12 %^[3]. Входит в состав других минералов в виде смесей и силикатов. В общей сложности массовая доля кварца в земной коре более 60 %. Кварц, как химическое соединение называется диоксид кремния, химическая формула SiO₂. Кварц встречается главным образом в виде кварцита, одного из компонентов песка.

Кварцевое стекло — это аморфный стекловидный расплав диоксида кремния, который является твёрдым только благодаря своей высокой вязкости. Кварц не имеет точки плавления.

Кварц имеет хорошую оптическую прозрачность в широком диапазоне длин волн. У Кварца ярко выражены три окна прозрачности в инфракрасном диапазоне спектра, в областях 0,85 мкм, 1,3 мкм и особенно в области 1,5 мкм. В области 1,5 мкм кварц имеет чрезвычайно низкое поглощение и низкие потери на рассеивание (менее 0.10dB/km). Высокая прозрачность в области 1,4мкм (расположенной между окнами прозрачности 1,3 мкм и 1,5 мкм) может быть достигнута, при условии поддержания низкой концентрации гидроксильных групп (ОH).

Сверхчистое кварцевое стекло обычно изготавливается путём осаждения SiO₂ из паровой фазы посредством окисления тетрахлорида кремния SiCl₄ с выделением газообразного хлора. Такой способ выбран потому, что SiCl₄ может быть получен в очень чистом виде путём дистилляции. SiCl₄ + O₂ —> SiO₂ + 2Cl₂. Показатель преломления может быть «отрегулирован» путём соответствующего легирования, добавлением определённого количества оксидов во время осаждения из газовой фазы. Так при введении фтора (F) или триоксида бора (B₂O₃) можно достигнуть меньшего показателя преломления (для изготовления тела волокна), а при добавлении диоксида германия (GeO₂) или пентаксида фосфора (P₂O₅) получают более высокий показатель преломления (для изготовления сердцевины волокна).

[править] Фторидные стёкла

→ Фторидные стёкла

Фторидные стёкла — класс неоксидных стекол, полученных из группы стеклообразующих фторидов различных металлов (ZBLAN — цирконий, барий, лантан, алюминий, натрий). Фторидные стёкла используются для получения специальных оптических материалов.

Из-за их низкой вязкости очень трудно полностью избежать кристаллизации при варке такого стекла. Поэтому в производстве используют разные приёмы для получения аморфного (стекловидного) состояния при остывании.

Фторидные стёкла были первоначально предназначены для использования в качестве оптических волокон, благодаря низким потерям в области инфракрасного излучения — ниже, чем у кварца, который прозрачен приблизительно до 2 мкм. Однако, такие низкие потери никогда не проявлялись на практике, а недолговечность и высокая стоимость фторидных волокон сделали их менее предпочтительными.

[править] Производство оптического волокна

[править] Технология изготовления заготовок

→ Производство оптического волокна

Иллюстрация процесса изготовления заготовок для производства оптического волокна из газовой фазы

Оптическое волокно изготавливается в ходе нескольких технологических операций. Сначала изготавливают заготовки для производства оптического волокна. Они представляют собой стеклянные стержни, состоящие из стекла сердцевины и стекла оболочки. Далее из этих заготовок, при сильном нагревании одного конца, производится вытяжка в волоконный световод, при этом одновременно наносится первичное буферное покрытие, являющееся его защитной оболочкой.

Одним из первых методов изготовления волоконных световодов был метод «стержень в трубке», при котором стержень из высокочистого кварцевого стекла в качестве сердцевины вдвигался в трубку из кварцевого стекла с меньшим показателем преломления, служащего оболочкой. Недостаток метода в том, что любые мельчайшие повреждения и примеси на их граничной поверхности после вытяжки световода приводят к большим величинам затухания (до 500 — 1000 дБ/км) и, кроме того, этим методом можно изготовить только многомодовые световоды со ступенчатым профилем показателя преломления.

Второй метод — «двойного тигля» или метод «совмещённого расплава». При этом световод вытягивается из расплава, где компоненты сердцевины и оболочки плавятся в двух разных тиглях. За счёт диффузии или ионного обмена между стеклом сердцевины и стеклом оболочки можно изготавливать волоконные световоды с градиентным профилем показателя преломления. При этом методе удаётся получить волокна с затуханием от 5 до 20 дБ/км. при длине волны 850 нм.

Следующий метод «разделения фаз» при котором стержень из натрийборселикатного стекла выдерживается длительное время при температуре 600° С. За это время переходные металлы, такие как Fe и Cu, собираются в натрийборатстеклофазе и далее выщелачиваются с помощью кислоты. Получившаяся пористая заготовка пропитывается раствором нитрата цезия и промывается. Из такой заготовки получают волоконные световоды со ступенчатым и градиентным профилем, с затуханием от 10 до 50 дБ/км. при длине волны 850 нм.

Прорыв в производстве оптических волокон был достигнут при производстве заготовок методом парофазного осаждения — способа, который впервые был использован в 1970 году американской фирмой Соrning Inc. При этом методе осаждение стекла может происходить на внешней поверхности вращающегося затравочного стержня (OVD method, Outside Vapor Deposition), на торцевой поверхности стержня из кварцевого стекла (VAD method, Vapor Axial Deposition) или на внутренней поверхности вращающейся опорной трубки из кварцевого стекла (IVD method, Inside Vapor Deposition). При этих методах осаждение стекла происходит за счёт реакции разложения сильнолетучих высокочистых соединений в кислородно-водородном или плазменном пламени.^[4]

Газы, типа четырёххлористого кремния SiCl₄ и четырёххлористого германия GeCl₄ вводятся вместе с кислородом с одной стороны к заготовке. При этом вращающаяся заготовка нагревается с помощью внешней горелки, с температурой нагрева до 1600°C (1900°K, 3000°F). При этом, в результате реакции получаются частицы кварца и диоксида германия. При этом условия реакции выбраны так, чтобы обеспечить реакцию в газовой фазе по всему объему реактора (трубы), в отличие от более ранних методов, где реакция происходила только на части поверхности заготовки.

[править] Технология вытяжки оптического волокна из заготовок

Для вытягивания волокна заготовка закрепляется вертикально в патроне вытяжной установки. Положение патрона в вертикальном направлении регулируется с использованием подающего механизма. Нижний конец заготовки нагревают до температуры 2000°С с помощью нагревательного элемента, так что можно вытягивать волокно вниз из плавящейся заготовки. Для того чтобы диаметр волоконного световода оставался постоянным и требуемой величины, необходимо обеспечить возможность точной регулировки скорости вытяжки (обычно 300 м/мин) и подающего механизма с помощью системы автоматического управления.

Во время вытягивания геометрические соотношения стекла сердцевины и оболочки остаются неизменными, хотя уменьшение диаметра заготовки по отношению к диаметру волоконного световода возможно в соотношении до 300 : 1. Таким образом, при вытяжке, профиль показателя преломления остаётся неизменным.

Непосредственно за измерительным прибором для контроля диаметра, вокруг волокна наносится первичное защитное покрытие. Такое полимерное покрытие, обычно имеющее двухслойную структуру, предназначено для увеличения прочности волоконного световода, для защиты его от внешних воздействий, механических микроизгибов и упрощения операций по дальнейшей работе с волоконным световодом. Это полимерное покрытие полимеризуется под воздействием тепла или ультрафиолетового УФ излучения. После упрочнения покрытия световод проходит по системе роликов, в которой он подвергается воздействию растягивающего усилия, которое может регулироваться с большой точностью. Световод должен выдерживать эту нагрузку до того, как он будет намотан на цилиндрический барабан.

[править] Волоконно-оптические кабели

→ Оптические волоконные кабели

[править] Элементы оптических кабелей

Бронированный волоконно-оптический кабель предназначенный для внешней прокладки. Волоконно-оптический кабель предназначенный для непосредственной прокладки в грунте.

Волоконно-оптический кабель состоит из:

центрального силового элемента (ЦСИ),
оптических модулей (полимерные трубки с размещёнными в них оптическими волокнами),
силовых элементов,
брони,
защитных оболочек,
внешней оболочки кабеля.

Сердечник кабеля

Для повышения механической прочности волоконно-оптических кабелей, оптические модули этого кабеля свиваются вокруг центрального силового элемента, являющегося сердцевиной кабеля. При этом центральный силовой элемент может служить как опорой для защиты от продольного изгиба, так и для защиты от нагрузок на растяжение. Благодаря скрутке световоды в оптических модулях имеют определённое пространство, в пределах которого нагрузки на растяжение, изгиб, сжатие, не выходящее за определённые рамки, не оказывают влияния на передаточные характеристики. Наряду с оптическими модулями вокруг силового элемента могут навиваться наполнители, т. е. модули без световодов или чисто полиэтиленовые элементы, а также медные жилы в виде витых пар или четвёрок. Совокупность этих скручиваемых элементов и силовых элементов, а также скрепляющей ленты или оболочки вокруг них, если таковая имеется, называется сердечником кабеля.

Скрутка

В волоконно-оптической кабельной технике в основном применяется скрутка слоями (повивами). При этом скручиваемые элементы располагаются концентрически вокруг центрального силового элемента. Если скручиваются отдельные элементы (оптические модули, медные жилы, наполнители), то в этом случае говорят о кабеле повивной скрутки. Если же сердечник кабеля свивается из модулей состоящих из скрученных элементов (жгутов), то такой кабель называется модульным кабелем или кабелем жгутовой скрутки. Существуют два типа скрутки: спиральная скрутка и SZ-скрутка (скрутка с чередованием направления скрутки).

Заполнение сердечника

Для обеспечения водонепроницаемости волоконно-оптического кабеля по его длине при попадании воды, свободное пространство между элементами сердечника заполняется специальным гидрофобным компаундом под высоким давлением. При этом компаунд должен иметь состав не оказывающий вредного влияния на характеристики элементов кабеля и иметь малый коэффициент линейного расширения.

Оболочка кабеля

Оболочка кабеля должна защищать сердечник волоконно-оптического кабеля снаружи от механических, тепловых, химических, световых воздействий, а также от влаги. Наиболее часто используют полиэтилен. Для кабелей предназначенных для внутренней прокладки, в качестве материала оболочки используют перфторэтилен-пропилен, перфторалкокси-сополимер, сополимер этилена и винилацетата. Если для кабелей с наполнителем сердечника требуется диэлектрическая оболочка, не содержащая металл, то между оболочкой кабеля и упрочняющими волокнами помещается предохранительный слой пластика из полиамидного расплавленного связующего вещества. Он предотвращает попадание компаунда из сердечника кабеля в его оболочку. Основные типы оболочек кабеля: полиэтиленовые, поливинилхлоридные, оболочки из фтористых пластмасс, оболочки из материалов не содержащие галогенов.

Защитная оболочка

Для кабелей наружной прокладки и специальных кабелей требуются полиэтиленовые или поливинилхлоридные защитные покрытия, а для особых случаев — покрытие из полиамида. Они защищают броню, нанесённую поверх оболочки кабеля, от коррозии и от внешних повреждений, например при непосредственной прокладке кабеля в грунт или протягивании по кабельной канализации.

Броня

Для защиты сердечника волоконно-оптического кабеля и его оболочки в особых случаях, как например, для прокладки под водой или в шахтах, для кабелей с защитой от грызунов, для самонесущих кабелей или для случаев, когда требуются очень высокие величины механических нагрузок на растяжение и/или сжатие, применяется дополнительная броня. Броня может быть выполнена из волокон арамида (кевлара), стальных лент, стальной проволоки, гофрированной стальной ленты и пр.

[править] Типы конструкции кабелей

Конструкции волоконно-оптических кабелей классифицируются в соответствии с определёнными характеристиками на следующие типы:

кабели наружной прокладки,
кабели внутренней прокладки,
специальные кабели.

Типичные температурные диапазоны для волоконно-оптических кабелей:

Температура транспортировки и хранения от -25°С до +70°С
Температура монтажа от -5°С до +50°С
Температура при эксплуатации от -20°С до +60°С

Стандартная длина поставляемых волоконно-оптических кабелей для наружной прокладки от 2000 метров до 6000 метров.

[править] Маркировка оптических волокон

Таблица 1. Цветовое кодирование согласно стандарту IEC 60304 Таблица 2. Цветовое кодирование оптических волокон, используемое зарубежными производителями оптических кабелей.

В 1982 г. стандартом IEC 304 Международного электротехнического комитета (МЭК) были определены двенадцать стандартных цветов изоляции низкочастотных кабелей и проводов (табл. 1), которые используются и для цветового кодирования оптических волокон (ОВ) в группах, содержащих до 12 ОВ. Нумерация же ОВ, сопоставляемая с цветом, предусмотренным названным стандартом МЭК, определяется национальными стандартами (табл. 2).

В случае, если в одном оптическом модуле одновременно находятся более 12-ти оптических волокон, то оболочки следующих по счёту оптических волокон, повторяют последовательность цветов предыдущих волокон с той разницей, что на них по всей длине ещё наносятся поперечные метки в виде например, чёрной полосы, через каждые 25 мм.

В некоторых случаях метки на оболочках последующих волокон, наносят через большие промежутки например, 40 мм., 60 мм, 80 мм. Некоторые производители оптических кабелей поступают иначе. Все волокна в каждом оптическом модуле разделяют на группы по 12 цветов в соответствии с принятым обозначением, оборачивая каждую группу оптических волокон нитью окрашенной в различные цвета (обычно красный, зелёный, синий и т. д.).

[править] Бесконтактные оптические соединения

Часто необходимо выровнять торец/ось оптического волокна относительно другого оптического волокна, или относительно кристалла оптоэлектронного устройства, например светоизлучающего диода, лазерного диода, или модулятора. Это требует тщательной прецизионной юстировки волокна и последующего закрепления его в устройстве. Иногда для этих целей конец волокна оплавляется (или полируется) в виде сферической формы, которая выполняет функцию линзы, чтобы позволить сфокусировать световой поток через воздушный промежуток (зазор).

↑ http://www.etymonline.com/index.php?term=quartz etymonline.com
↑ http://www.krugosvet.ru/enc/Earth_sciences/geologiya/KVARTS.html Энциклопедия Кругосвет
↑ Диоксид кремния на сайте XuMuK.ru
↑ Fiber Optic Cables by G. Mahlke., P. Gossing, 1993 by Siemens Aktiengesellschaft, Berlin and Munich.

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)
Fiber Optic Cables by G. Mahlke., P. Gossing, 1993 by Siemens Aktiengesellschaft, Berlin and Munich.
Гюнтер Мальке, Петер Гёссинг «Волоконно-оптические кабели», 2001 Новосибирск, Издательский дом «Вояж».

Многомодовое оптическое волокно — Циклопедия

→ Оптическое волокно

→ Волоконная оптика

Многомодовые волокна

Многомодовое оптическое волокно — тип оптического волокна с большим диаметром сердцевины, проводящей лучи света благодаря эффекту полного внутреннего отражения (в стандартном многомодовом волокне со ступенчатым профилем).

Оборудование, используемое для сетей построенных на базе многомодового оптического волокна (МОВ) намного дешевле, чем аналогичное оборудование для одномодового оптического волокна.^[1] Типичные характеристики (скорости/расстояния) передачи — 100 Mbit/s для расстояний до 2 км (100BASE-FX), 1 Gbit/s для расстояний до 220/550 м. (1000BASE-SX), и 10 Gbit/s для расстояний до 300 м. (10GBASE-эсер).

Благодаря высокой производительности и надежности, многомодовые оптические волокна (МОВ) используются для создания основных сетевых магистралей в зданиях. Удобная стандартная архитектура, типа «Многолучевая звезда» и «Магистраль», даёт возможность, благодаря оптическим сегментам, увеличить протяжённость сетей передачи данных на достаточные расстояния, доведя соединение центрального телекоммуникационного оборудования непосредственно до каждого конечного пользователя, без использования промежуточных коммуникационных узлов.

МОВ-G 62,5/125мкм

диаметр светопроводящего ядра (сердцевины) 50 (62,5) ± 3 мкм;
допуск на некруглость 3 мкм;
внешний диаметр оптического волокна 125 ± 2 мкм;
допуск на некруглость 2,5 мкм;
допуск на эксцентриситет между сердцевиной и внешним диаметром волокна 3 мкм;
внешний диаметр первичной защитной оболочки 250 ± 10 мкм;
внешний диаметр вторичной защитной оболочки 900 ± 10 мкм

Многомодовые волокна описаны, с использованием системы классификации, определенной Международной Организацией по Стандартизации 11801 и определены стандартами:

Эти стандарты основаны на ширине полосы пропускания многомодового оптического волокна (МОВ). Стандарт OM4 (определенный в TIA-492-AAAD) для работы на скоростях до 100 Gbit/s был завершен в августе 2009, ^[2] и ждёт заключительной публикации в TIA.

Типичные многомодовые оптические волокна (МОВ) нормализованы с характеристиками передачи информации в диапазоне: от 10 Mbit/s до 1 Gbit/s.

Для отличия многомодовых волокон от одномодовых принято использовать различные цвета окраски внешней оболочки кабеля для изготовления патчкордов. Но это не является обязательным условием окраски оболочки кабеля для изготовителей, поэтому не стоит полагаться только на цвет оболочки кабеля, при его идентификации.

TIA-598C — рекомендует, для гражданских целей следующие цвета для окраса оболочек волокна:

Цвет желтый — для 9,5/125 мкм — для волокна одномодового,
Цвет оранжевый — для 50/125 мкм — для многомодовых волокон,
Цвет серый — для 62.5/125 мкм — для многомодовых волокон,
Цвет бирюзовый — рекомендуется для 50/125 мкм «лазер оптимизированных» многомодовых волокон по стандартам (OM3) и (ОМ4).

[править] Принципы работы многомодового оптического волокна

Рис.1, Типы оптического волокна. Распространение света через многомодовое оптическое волокно Рис.2, Прохождение лазерного луча в оптическом волноводе квадратного сечения при эффекте полного внутреннего отражения.

[править] Виды многомодовых волокон

[править] Многомодовые волокна со ступенчатым профилем

[править] Многомодовые волокна с градиентным профилем

[править] Применение многомодовых оптических волокон

В настоящее время сфера применения многомодовых оптических волокон, главным образом используемых для сетей телекоммуникаций, ограничена приложениями для коротких расстояний, например в пределах одного здания или реже в группе зданий, например сеть уровня кампуса.

↑ Telecommunications Industry Association. «Multimode Fiber for Enterprise Networks». http://www.fols.org/technology/. Retrieved Jun. 4, 2008.
↑ «Meeting Report #14» (PDF). Telecommunications Industry Association. http://www.tiaonline.org/standards/committees/files/tr-42/tr4212-aug09-280809115115.pdf.
↑ Fiber Optic Cables by G. Mahlke., P. Gossing, 1993 by Siemens Aktiengesellschaft, Berlin and Munich.

Fiber Optic Cables by G. Mahlke., P. Gossing, 1993 by Siemens Aktiengesellschaft, Berlin and Munich.
Гюнтер Мальке, Петер Гёссинг «Волоконно-оптические кабели», 2001 Новосибирск, Издательский дом «Вояж».

Одномодовое оптоволокно Википедия

Пучок оптических волокон

Опти́ческое волокно́ — нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Опти́ческое волокно́ — диэлектрическая направляющая среда, предназначенная для канализации электромагнитных волн оптического и инфракрасного диапазонов. Оптическое волокно коаксиальной конструкции и состоит из сердцевины, оболочки и первичного акрилатного покрытия и характеризуется профилем показателя преломления.

Волоконная оптика — раздел прикладной науки и машиностроения, описывающий такие волокна. Кабели на базе оптических волокон (волоконно-оптический кабель) используются в волоконно-оптической связи, позволяющей передавать информацию на бо́льшие расстояния с более высокой скоростью передачи данных, чем в электронных средствах связи^[1]. В ряде случаев они также используются при создании датчиков.

История

Принцип передачи света, используемый в волоконной оптике, был впервые продемонстрирован в XIX веке, но повсеместное применение было затруднено отсутствием соответствующих технологий.

В 1934 г. американец Норман Р. Френч получил патент на оптическую телефонную систему, речевые сигналы в которой передавались при помощи света по стержням чистого стекла. В 1962 г. был создан полупроводниковый лазер и фотодиод, используемые как источник и приёмник оптического сигнала^[2].

Повсеместному переходу на технологии ВОЛС мешали высокие затухания в оптическом волокне, поэтому конкуренция с медными линиями была невозможна. Только к 1970 г. компании Corning удалось наладить коммерческое производство волокна с низким затуханием — до 17 дБ/км, через пару лет — до 4 дБ/км. Волокно являлось многомодовым и по нему передавалось несколько мод света. К 1983 году был освоен выпуск одномодовых волокон, по которым передавалась одна мода.

В России первые волоконно-оптические линии появились в Москве. Первой подводной ВОЛС стала магистраль Санкт-Петербург — Аберслунд (Дания), проложенная АО «Совтелеком» (ныне ПАО «Ростелеком»^[3]).

В 2018 году исследователи из исследовательского института NICT Network System и компании Fujikura Ltd, специалисты которой разработали новый тип трехмодового (трехканального) оптического волокна, провели эксперимент, во время которого была достигнута скорость передачи информации в 159 терабит в секунду на расстояние 1045 километров. В обычных условиях задержки при использовании многомодового оптоволокна мешают одновременно получать высокие скорости передачи и осуществлять передачу на большие расстояния. И данное достижение является своего рода демонстрацией нового метода преодоления ограничений^[4].

Материалы

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

В настоящее время развивается применение пластиковых оптических волокон. Сердечник в таком волокне изготовляют из полиметилметакрилата (PMMA), а оболочку из фторированных PMMA (фторполимеров).

Конструкция

Оптическое волокно, как правило, 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. Сердцевина изготавливается из чистого материала (стекла или пластика) и имеет диаметр 9 мкм (для одномодового волокна), 50 или 62,5 мкм (для многомодового волокна). Оболочка имеет диаметр 125 мкм и состоит из материала с легирующими добавками, изменяющими показатель преломления. Например, если показатель преломления оболочки равен 1,474, то показатель преломления сердцевины — 1,479. Луч света, направленный в сердцевину, будет распространяться по ней, многократно отражаясь от оболочки.

Возможны и более сложные конструкции: в качестве сердцевины и оболочки могут применяться двумерные фотонные кристаллы, вместо ступенчатого изменения показателя преломления часто используются волокна с градиентным профилем показателя преломления, форма сердцевины может отличаться от цилиндрической. Такие конструкции обеспечивают волокнам специальные свойства: удержание поляризации распространяющегося света, снижение потерь, изменение дисперсии волокна и др.

Оптические волокна, используемые в телекоммуникациях, как правило, 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 10 микрон. Благодаря малому диаметру сердцевины оптическое излучение распространяется по волокну в одной (основной, фундаментальной) моде и, как результат, отсутствует межмодовая дисперсия.

Существует три основных типа одномодовых волокон:

одномодовое ступенчатое волокно с несмещённой дисперсией (стандартное) (SMF или SM, англ. step index single mode fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.652 и применяется в большинстве оптических систем связи;
одномодовое волокно со смещённой дисперсией (DSF или DS, англ. dispersion shifted single mode fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.653. В волокнах DSF с помощью примесей область нулевой дисперсии смещена в третье окно прозрачности, в котором наблюдается минимальное затухание;
одномодовое волокно с ненулевой смещённой дисперсией (NZDSF, NZDS или NZ, англ. non-zero dispersion shifted single mode fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.655

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.

Полимерные (пластиковые) волокна производят диаметром 50, 62.5, 120 и 980 микрометров и оболочкой диаметром 490 и 1000 мкм.

Применение

Волоконно-оптическая связь

Волоконно-оптический кабель

Основное применение оптические волокна находят в качестве среды для передачи информации в волоконно-оптических телекоммуникационных сетях различных уровней: от межконтинентальных магистралей до домашних компьютерных сетей. Применение оптических волокон для линий связи обусловлено тем, что оптическое волокно обеспечивает высокую защищённость от несанкционированного доступа, низкое затухание сигнала при передаче информации на большие расстояния, возможность оперировать с чрезвычайно высокими скоростями передачи и пропускной способностью даже при том, что скорость распространения сигнала в волокнах может быть до 30 % ниже, чем в медных проводах и до 40 % ниже скорости распространения радиоволн^[5]. Уже к 2006 году была достигнута частота модуляции 111 ГГц^[6]^[7], в то время как скорости 10 и 40 Гбит/с стали уже стандартными скоростями передачи по одному каналу оптического волокна. При этом каждое волокно, используя технологию спектрального уплотнения каналов может передавать до нескольких сотен каналов одновременно, обеспечивая общую скорость передачи информации, исчисляемую терабитами в секунду. Так, к 2008 году была достигнута скорость 10,72 Тбит/с^[8], а к 2012 — 20 Тбит/с^[9]. Последний рекорд скорости — 255 Тбит/с^[10].

С 2017 года специалисты говорят о достижении практического предела существующих технологий оптоволоконных линий связи и о необходимости кардинальных изменений в отрасли.^[11]

Волоконно-оптический датчик

Оптическое волокно может быть использовано как датчик для измерения напряжения, температуры, давления и других параметров. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии дают волоконно-оптическим датчикам преимущество перед традиционными электрическими в определённых областях.

Оптическое волокно используется в гидрофонах в сейсмических или гидролокационных приборах. Созданы системы с гидрофонами, в которых на волоконный кабель приходится более 100 датчиков. Системы с гидрофоновым датчиком используются в нефтедобывающей промышленности, а также флотом некоторых стран. Немецкая компания Sennheiser разработала лазерный микрофон, основными элементами которого являются лазерный излучатель, отражающая мембрана и оптическое волокно^[12].

Волоконно-оптические датчики, измеряющие температуры и давления, разработаны для измерений в нефтяных скважинах. Они хорошо подходят для такой среды, работая при температурах, слишком высоких для полупроводниковых датчиков.

С использованием полимерных оптических волокон создаются новые химические датчики (сенсоры), которые нашли широкое применение в экологии, например, для детектирования аммония в водных средах^[13].

Разработаны устройства дуговой защиты с волоконно-оптическими датчиками, основными преимуществами которых перед традиционными устройствами дуговой защиты являются: высокое быстродействие, нечувствительность к электромагнитным помехам, гибкость и лёгкость монтажа, диэлектрические свойства.

Оптическое волокно применяется в лазерном гироскопе, используемом в Boeing 767^{[источник не указан 2759 дней]} и в некоторых моделях машин (для навигации). Волоконно-оптические гироскопы применяются в космических кораблях «Союз»^[14]. Специальные оптические волокна используются в интерферометрических датчиках магнитного поля и электрического тока. Это волокна, полученные при вращении заготовки с сильным встроенным двойным лучепреломлением.

Другие применения

Диск фрисби, освещённый оптическим волокном

Оптические волокна широко используются для освещения. Они используются как световоды в медицинских и других целях, где яркий свет необходимо доставить в труднодоступную зону. В некоторых зданиях оптические волокна направляют солнечный свет с крыши в какую-нибудь часть здания. Также в автомобильной светотехнике (индикация на приборной панели).

Волоконно-оптическое освещение также используется в декоративных целях, включая коммерческую рекламу, искусство и искусственные рождественские ёлки.

Оптическое волокно также используется для формирования изображения. Пучок света, передаваемый оптическим волокном, иногда используется совместно с линзами — например, в эндоскопе, который используется для просмотра объектов через маленькое отверстие.

Оптическое волокно используется при конструировании волоконного лазера.

См. также

Примечания

↑ Коробейников А. Г., Гатчин Ю. А., Дукельский К. В., Тер-Нерсесянц Е. В. Проблемы производства высокопрочного оптического волокна — Статья. — УДК 681.7.- Научно-технический вестник ИТМО. — выпуск 2(84). — март-апрель 2013
↑ Душутин Н. К., Моховиков А. Ю. Из истории физики конденсированного состояния (неопр.). Из истории физики конденсированного состояния С. 157. Иркутский государственный университет (2014).
↑ История ОАО «Ростелеком»
↑ «Record Breaking Fiber Transmission Speed Reported» ECN, 17 апреля, 2018
↑ Салифов И. И. Расчёт и сравнение сред передачи современных магистральных сетей связи по критерию латентности (задержки) // T-Comm – Телекоммуникации и Транспорт : журнал. — М.: ИД «Медиа паблишер», 2009. — № 4. — С. 42.
↑ NTT Press Release. 14 Tbps over a Single Optical Fiber: Successful Demonstration of World’s Largest Capacity. 140 digital high-definition movies transmitted in one second (неопр.) (недоступная ссылка) (September 29, 2006). Дата обращения: 3 октября 2011. Архивировано 27 мая 2012 года.
↑ M. S. Alfiad, et al.. 111 Gb/s POLMUX-RZ-DQPSK Transmission over 1140 km of SSMF with 10.7 Gb/s NRZ-OOK Neighbours, С. Mo.4.E.2.
↑ Листвин А. В., Листвин В. Н., Швырков Д. В. Оптические волокна для линий связи. — М.: ЛЕСАРарт, 2003. — С. 8. — 288 с. — 10 000 экз. — ISBN 5-902367-01-8.
↑ Huawei представила прототип системы магистральной передачи 400G DWDM
↑ Создано оптоволокно с пропускной способностью до 255 терабит в секунду, Лента.ру (28 октября 2014).
↑ Александр Голышко, Виталий Шуб. Время чудес, или Тормоза для конца света (неопр.). ИКС медиа. Журнал ИКС (7 июля 2017). Дата обращения: 21 мая 2018.
↑ TP: Der Glasfaser-Schallwandler (неопр.). Дата обращения: 4 декабря 2005. Архивировано 21 августа 2011 года.
↑ Лопес Н. ., Секейра Ф. ., Гомес М. С., Рожерио Н. Н., Бильро Л. ., Задорожная О. А., Рудницкая А. М. Оптоволоконный сенсор, модифицированный графтингом молекулярно-импринтированного полимера для детектирования аммония в водных средах // Журнал «Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики». — 2015. — № 4. — ISSN 2226-1494.
↑ Научно-Производственная Компания «Оптолинк»: Новости (неопр.). Дата обращения: 17 июня 2013. Архивировано 18 июня 2013 года.

Литература

Н.К.Душутин, А.Ю.Моховиков. Из истории физики конденсированного состояния. — Иркутск: ИГУ, 2014.
Листвин А. В., Листвин В. Н., Швырков Д. В. Оптические волокна для линий связи. — М.: ЛЕСАРарт, 2003. — 288 с. — 10 000 экз. — ISBN 5-902367-01-8.
Волоконно-оптические датчики / Под ред. Э. Удда. — М.: Техносфера, 2008. — 520 с.
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. — New York: Oxford University Press, 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. — San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers, 1998. — ISBN 1-55860-445-6.

Ссылки

Разновидности оптических волокон

Попадая в световедущую сердцевину, свет распространяется в ней за счет эффекта полного внутреннего отражения. Этот эффект имеет место при падении луча света на границу раздела двух сред из среды с большим показателем преломления n1 в среду с меньшим показателем n2, и наблюдается только до определенных значений угла падения Qкр, величина которого определяется различиями n1 и n2 (см. рис.1).
Согласно законам оптики значение Qкр определяет соотношение cos Qкр = (n1²-n2²)²/n1.
Лучи света, падающие на границу раздела n1/n2 под углами большими Qкр будут распространяться в световедущей сердцевине с очень малыми потерями, а лучи не удовлетворяющие этому условию — выходить в оболочку и быстро затухать.

Обычно свет вводится в волокно через торец. Предельная величина угла падения луча света на торец волокна связана с критическим углом соотношением sin a_m = n1•cos Qкр = (n1² — n2²)^1/2 = (2n • dn)^1/2, где n = (n1 + n2)/2, а dn = n1 — n2. Величина NA = sin a_m = (2n • dn)^1/2 называется числовой апертурой волокна и определяет способность волокна собирать и передавать свет. Луч света, введенный в волокно под углом меньшим m, будет распространяться по всей длине волокна. Такой луч называется ведомой модой или просто модой.
Как новая физическая среда для передачи информации оптическое волокно имеет ряд существенных преимуществ, по сравнению с другими, среди которых:
1. Широкая полоса частот (до 10¹⁴ Гц) и низкое затухание света в волокне (~ 0,1-0,2 дБ/км) обеспечивают передачу массивов информации с высокими скоростями и на большие расстояния (до сотен километров без регенерации сигнала).
2.

Кварцевое стекло как среда передачи нечувствительно к электромагнитным полям. Поэтому волокно может прокладываться вместе с силовыми кабелями, без опасности возникновения наведенных помех и ошибок при передаче информации.
3. Оптическое волокно пожаровзрывобезопасно, в волоконно-оптических сетях обеспечивается гальваническая развязка между передающим и приемным оборудованием.
4. Оптическое волокно, как канал связи, имеет высокую степень защиты от прослушивания и несанкционированного съема информации.
5. Волоконно-оптические линии имеют значительно меньшие объем и массу в расчете на единицу передаваемой информации, чем любые другие; исходным сырьем для изготовления волокна является кремний, запасы которого на земле практически неограниченны.
Существует два типа оптических волокон: многомодовые (ММ) и одномодовые (SM), отличающиеся диаметрами световедущей сердцевины. Многомодовое волокно, в свою очередь, бывает двух типов: со ступенчатым и градиентным профилями показателя преломления по его сечению.

Диаметр сердцевины оптического волокна со ступенчатым профилем показателя преломления лежит в пределах от 100 до 200 мкм; значение показателя преломления n1 по всему поперечному сечению сердцевины постоянно и резко падает (ступенчатый) на границе с оболочкой (рис. 2).

В ступенчатом волокне могут возбуждаться и распространяться до тысячи мод с различным распределением по сечению и длине волокна. Моды имеют различные оптические пути и, следовательно, различные времена распространения по волокну, что приводит к уширению импульса света по мере его прохождения по волокну. Это явление называется межмодовой дисперсией и оно непосредственно влияет на скорость передачи информации по волокну. Область применения ступенчатых волокон короткие (до 1 км) линии связи со скоростями передачи информации до 100 Мбайт/с, рабочая длина волны излучения, как правило, 0,85 мкм.
В многомодовом оптическом волокне с градиентным профилем показателя преломления значение показателя преломления плавно изменяется от центра к краям сердцевины по закону, близкому к n²(r) = n1²(1 — 2d(r/a)²) , где а — радиус сердцевины; d = n1 — n2. (рис. 3). Благодаря этому число распространяющихся в сердцевине мод и различия в длинах оптических путей этих мод значительно уменьшаются и соответственно уменьшается и дисперсия.

Градиентное волокно в соответствии со стандартами имеет диаметр сердцевины 50 мкм и 62,5 мкм, диаметр оболочки 125 мкм. Оно применяется во внутриобъектовых линиях длиной до 5 км, со скоростями передачи до 100 Мбайт/c на длинах волн 0,85 мкм и 1,35 мкм.
Стандартное одномодовое оптическое волокно имеет диаметр сердцевины 9 мкм и диаметр оболочки 125 мкм (рис. 4).

В этом волокне существует и распространяется только одна мода (точнее две вырожденные моды с ортогональными поляризациями), поэтому в нем отсутствует межмодовая дисперсия, что позволяет передавать сигналы на расстояние до 50 км со скоростью до 2,5 Гбит/с и выше без регенерации. Рабочие длины волн L1 = 1,31 мкм и L2 = 1,55 мкм.
С развитием магистральных и локальных волоконно оптических сетей связи было освоено производство нескольких дополнительных типов одномодовых оптических волокон, отличающихся величиной затухания, его распределением по спектру и дисперсией.
Распространение света в волоконном световоде характеризуется множеством параметров, самыми важными из которых являются потери на распространение и дисперсия в заданном спектральном диапазоне. Потери характеризуются величиной затухания световой волны на единицу длины волокна и измеряются в дБ/км. Дисперсия определяет степень уширения светового импульса по мере его прохождения по волокну. Существует три вида дисперсии в оптическом волокне: межмодовая, хроматическая и поляризационно-модовая. В зависимости от типа волокна в нем преобладает тот или иной вид дисперсии.
В многомодовых волокнах определяющей является межмодовая дисперсия, которая обусловлена наличием большого числа распространяющихся мод и различиями времен их распространения по волокну.
Межмодовая дисперсия не зависит от длины волны излучения, поэтому дисперсионные характеристики многомодовых оптических волокон оцениваются по информационной полосе пропускания в МГц•км.
В стандартных одномодовых волокнах определяющей является хроматическая дисперсия, которая выражается в различии показателей преломления и, следовательно, в скоростях распространения излучения с различными длинами волн. Величина этой дисперсии зависит от типа источника излучения и измеряется в пс.
Хроматическая дисперсия выбрана международным союзом связистов (INU) в качестве критерия для классификации одномодовых оптических волокон. Согласно этому критерию, существует три типа одномодовых оптических волокон:
1. Стандартное одномодовое волокно (тип G.652). Это наиболее ходовой тип волокна, используется в мире с 1988 года в магистральных и зоновых волоконно-оптических системах. Параметры (потери и дисперсия) этого волокна оптимизированы на длину волны 1310 нм (минимум хроматической дисперсии), оно может использоваться и в диапазоне длин волн 1525…1565 нм, где имеет место абсолютный минимум потерь в волокне.
2. Одномодовое волокно со смещенной нулевой дисперсией (тип G.653). Называется так потому, что абсолютный минимум хроматической дисперсии путем выбора специальной формы профиля показателя преломления смещен в диапазон длин волн L = 1550 нм абсолютного минимума потерь в волокне. Волокно G.653 оптимизировано для высокоскоростной передачи на одной длине волны и имеет ограниченные возможности для передачи на нескольких длинах волн. Использовалось при строительстве магистральных линий связи в Японии, Италии, США и других странах с 1985 года.
3. Одномодовое волокно со смещенной в область длин волн L = 1550 нм ненулевой дисперсией (тип G.655).Волокно оптимизировано для высокоскоростной передачи информации на нескольких длинах волн в диапазоне L = 1550 нм. Волокно G.655 разработано для волоконно-оптических систем со спектральным уплотнением каналов — DWDM-систем.
Измерение хроматической дисперсии в одномодовых ВОЛС довольно продолжительное время также считалось неактуальным, так как предполагалось, что коэффициент хроматической дисперсии — паспортный параметр ОВ, который измеряется в заводских условиях и в процессе прокладки ОК и эксплуатации ВОЛС не изменяется. Это было справедливо для ВОЛС со скоростями передачи до 622 Мбит/с (STM 4). При скорости передачи 2,5 Гбит/с и более, которые стали применяться в конце 80-х годов, было обнаружено существенное влияние температуры и других внешних воздействий на этот параметр.
Главной тенденцией в развитии волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) является увеличение скорости передачи информации и полосы частот передаваемых по волокну сигналов. В настоящее время уже существуют коммерческие ВОЛС, обеспечивающие скорости передачи информации до 100 Гбит/с, и имеются все предпосылки и технические возможности для создания ВОЛС на скорости передачи информации до 1000 Гбит/с на расстояния до тысячи километров.
При таких скоростях существенное влияние на качество передачи информации начинает оказывать поляризационно-модовая дисперсия (ПМД) волокна, которая до последнего времени не принималась во внимание. К настоящему времени ведущие производители оптических волокон уже ввели спецификацию на ПМД волокна.
ПМД — это дисперсия, вызываемая разностью в скоростях распространения двух основных ортогонально-поляризованных мод, существующих в одномодовом волокне. Наличие ПМД приводит к тому, что результирующий выходной импульс света уширяется по сравнению с входным. В идеальном волокне эти моды являются вырожденными, имеют одинаковые скорости распространения и поэтому ПМД отсутствует.
Разность в скоростях распространения ортогональных мод в волокне может быть вызвана целым рядом причин, которые в общем случае влияют на такие характеристики волокна как двулучепреломление и взаимодействие или смешение мод. Двойное лучепреломление (или двулучепреломление) обусловлено разницей значений показателей преломления для двух ортогональных мод. Чем выше двулучепреломление в волокне, тем больше его ПМД. Взаимодействие или смешение мод происходит на тех участках волокна, где осуществляется обмен энергией световой волны между быстрыми и медленными модами, например в местах соединения волокон или изгибах. Следовательно, результирующая ПМД складывается случайным образом и величина ПМД носит случайный характер. Именно поэтому на длинных отрезках волокна значение ПМД пропорционально квадратному корню из длины волокна L.
ПМД влияет на работу ВОЛС так же, как и хроматическая дисперсия, но механизм уширения импульсов в этих случаях различен. Существенным отличием ПМД от хроматической дисперсии является тот факт, что влияние хроматической дисперсии в линии можно компенсировать, в то время как методов компенсации влияния ПМД в настоящее время не существует. Как отмечалось выше, в прошлом влияние ПМД не принималось во внимание, поскольку скорости передачи, а также расстояния между регенераторами в ВОЛС были относительно невелики. В настоящее время, когда скорости передачи достигают сотен Гбит/с, а расстояния между оптическими регенераторами в ВОЛС — сотен километров, ПМД становится ограничивающим фактором при разработке ВОЛС. Таким образом, чтобы дать разработчикам ВОЛС возможность эффективно учитывать роль ПМД в технических характеристиках ВОЛС, становится необходимым оговаривать величину ПМД в спецификации волокна и кабеля. ПМД может быть ограничивающим фактором как для цифровых, так и аналоговых систем. При создании высококачественных аналоговых систем кабельного телевидения протяженностью более 50 км уже необходимо учитывать ПМД, так как в таких системах предъявляются высокие требования к отношению сигнал/шум. Сейчас, по видимому, уже и волоконные сети доступа будут нуждаться в спецификации ПМД, иначе они могут не обеспечивать высококачественную передачу сигналов, а также возможность дальнейшего развития систем.
Измерение хроматической дисперсии в одномодовых ВОЛС довольно продолжительное время также считалось неактуальным, так как предполагалось, что коэффициент хроматической дисперсии — паспортный параметр ОВ, который измеряется в заводских условиях и в процессе прокладки ОК и эксплуатации ВОЛС не изменяется. Это было справедливо для ВОЛС со скоростями передачи до 622 Мбит/с (STM 4). При скорости передачи 2,5 Гбит/с и более, которые стали применяться в конце 80-х годов, было обнаружено существенное влияние температуры и других внешних воздействий на этот параметр.
Главной тенденцией в развитии волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) является увеличение скорости передачи информации и полосы частот передаваемых по волокну сигналов. В настоящее время уже существуют коммерческие ВОЛС, обеспечивающие скорости передачи информации до 100 Гбит/с, и имеются все предпосылки и технические возможности для создания ВОЛС на скорости передачи информации до 1000 Гбит/с на расстояния до тысячи километров.
При таких скоростях существенное влияние на качество передачи информации начинает оказывать поляризационно-модовая дисперсия (ПМД) волокна, которая до последнего времени не принималась во внимание. К настоящему времени ведущие производители оптических волокон уже ввели спецификацию на ПМД волокна.
ПМД — это дисперсия, вызываемая разностью в скоростях распространения двух основных ортогонально-поляризованных мод, существующих в одномодовом волокне. Наличие ПМД приводит к тому, что результирующий выходной импульс света уширяется по сравнению с входным. В идеальном волокне эти моды являются вырожденными, имеют одинаковые скорости распространения и поэтому ПМД отсутствует.
Разность в скоростях распространения ортогональных мод в волокне может быть вызвана целым рядом причин, которые в общем случае влияют на такие характеристики волокна как двулучепреломление и взаимодействие или смешение мод. Двойное лучепреломление (или двулучепреломление) обусловлено разницей значений показателей преломления для двух ортогональных мод. Чем выше двулучепреломление в волокне, тем больше его ПМД. Взаимодействие или смешение мод происходит на тех участках волокна, где осуществляется обмен энергией световой волны между быстрыми и медленными модами, например в местах соединения волокон или изгибах. Следовательно, результирующая ПМД складывается случайным образом и величина ПМД носит случайный характер. Именно поэтому на длинных отрезках волокна значение ПМД пропорционально квадратному корню из длины волокна L.
ПМД влияет на работу ВОЛС так же, как и хроматическая дисперсия, но механизм уширения импульсов в этих случаях различен. Существенным отличием ПМД от хроматической дисперсии является тот факт, что влияние хроматической дисперсии в линии можно компенсировать, в то время как методов компенсации влияния ПМД в настоящее время не существует. Как отмечалось выше, в прошлом влияние ПМД не принималось во внимание, поскольку скорости передачи, а также расстояния между регенераторами в ВОЛС были относительно невелики. В настоящее время, когда скорости передачи достигают сотен Гбит/с, а расстояния между оптическими регенераторами в ВОЛС — сотен километров, ПМД становится ограничивающим фактором при разработке ВОЛС. Таким образом, чтобы дать разработчикам ВОЛС возможность эффективно учитывать роль ПМД в технических характеристиках ВОЛС, становится необходимым оговаривать величину ПМД в спецификации волокна и кабеля. ПМД может быть ограничивающим фактором как для цифровых, так и аналоговых систем. При создании высококачественных аналоговых систем кабельного телевидения протяженностью более 50 км уже необходимо учитывать ПМД, так как в таких системах предъявляются высокие требования к отношению сигнал/шум. Сейчас, по видимому, уже и волоконные сети доступа будут нуждаться в спецификации ПМД, иначе они могут не обеспечивать высококачественную передачу сигналов, а также возможность дальнейшего развития систем.

RP Photonics Encyclopedia — волокна, приложения, волоконная оптика, одномодовые и многомодовые, поляризация, кабели, NA, номер V, стеклянные оптические волокна

Энциклопедия

> буква F> волокна

можно найти в Руководстве покупателя RP Photonics. Среди них:

Найдите более подробную информацию о поставщиках в конце этой статьи энциклопедии или посетите наш

Вас еще нет в списке? Получите свою заявку!

Моделирование в волоконной оптике

RP Photonics обладает обширным опытом в области оптических волокон и предлагает мощное программное обеспечение для моделирования оптоволоконных устройств . Помимо этой энциклопедии, доктор Пашотта является автором полевого руководства SPIE по оптоволоконной технологии и подробного учебного пособия « Passive Fiber Optics ».

Определение: разновидность длинных и тонких световодов, которые можно до некоторой степени изгибать.

Альтернативные термины: оптические волокна, волокна (британское написание)

Более конкретные термины: пассивные волокна, активные волокна, волокна, легированные редкоземельными элементами, волокна с двойной оболочкой, волокна со ступенчатым коэффициентом преломления, волокна с градиентным коэффициентом преломления, волокна с сохранением поляризации, кремнеземные волокна, фторидные волокна, волокна среднего инфракрасного диапазона, одиночные -кристаллические волокна, пластиковые оптические волокна, волокна со смещенной дисперсией, фотонно-кристаллические волокна, волокна с фотонной запрещенной зоной, полые волокна, нановолокна, одномодовые волокна, однополяризационные волокна, маломодовые волокна, многомодовые волокна, волокна с большой сердцевиной , волокна с большой площадью моды, конические волокна, телекоммуникационные волокна, специальные волокна

немецкий: optische Fasern

Категория: волоконная оптика и волноводы

Как цитировать статью; предложить дополнительную литературу

Автор: Dr. Rüdiger Paschotta

Оптические волокна являются основными компонентами волоконной оптики и играют особенно важную роль в фотонике в целом. Они представляют собой своего рода оптические волноводы, которые обычно изготавливаются из какого-то стекла, потенциально могут быть очень длинными (сотни километров) и — в отличие от других волноводов — довольно гибкими. Хотя стекло обычно довольно хрупкое, особенно тонкие волокна диоксида кремния, защищенные полимерным покрытием, можно существенно согнуть, например вокруг пальца, без разрушения.

Наиболее часто используемым стеклом для оптических волокон является диоксид кремния (кварцевое стекло, аморфный диоксид кремния = SiO ₂) либо в чистом виде, либо с некоторыми легирующими добавками. Кремнезем так широко используется из-за его выдающихся свойств, в частности, его способности к чрезвычайно низким потерям распространения (реализовано с использованием сверхчистого материала) и его удивительно высокой механической прочности против растяжения и даже изгиба (при условии, что поверхности хорошо подготовлены). Однако для некоторых специальных применений требуются специальные волокна, изготовленные из других типов стекла, например.г. фторидные волокна (см. ниже).

Большинство оптических волокон, используемых в лазерной технологии, имеют сердцевину с показателем преломления, который несколько выше, чем у окружающей среды (так называемая оболочка ). Самый простой случай — это волокно со ступенчатым показателем преломления , в котором показатель преломления постоянен внутри сердцевины и внутри оболочки. Индексный контраст между сердцевиной и оболочкой определяет числовую апертуру волокна (см. Ниже) и, как правило, невелик, так что оптические волокна слабо направляют.свет, попадающий в сердцевину, направляется вдоль сердцевины, т. е. распространяется в основном в области сердцевины, хотя распределение интенсивности может несколько выходить за пределы сердцевины. Благодаря наведению и низким потерям на распространение оптическая интенсивность может поддерживаться на больших длинах волокна.

Хотя большинство оптических волокон имеют только одну сердцевину, существуют также так называемые многожильные волокна, содержащие несколько или даже большое количество сердцевин.

Реже используемый принцип направления света основан на запрещенной фотонной полосе (→ световод с фотонной запрещенной зоной ).Например, это можно реализовать с помощью концентрических колец с разным показателем преломления, образующих своего рода двумерное брэгговское зеркало.

Рисунок 1: Простая установка для ввода света в оптическое волокно (без масштаба). Коллимированный лазерный луч фокусируется в сердцевину волокна. Свет распространяется вдоль сердцевины и выходит из другого конца волокна в виде расходящегося пучка. Сердцевина и оболочка световода изготовлены из стекла. Полимерная оболочка защищает стекловолокно.
Термин специальные волокна используется для многих различных типов оптических волокон со специальными свойствами и поэтому не очень конкретен.В основе таких волокон могут быть необычные очки или просто необычный дизайн.
Фигура 2: Волокно, в котором происходит генерация суперконтинуума. Часть света рассеивается из волокна, поэтому его можно увидеть. Изображение любезно предоставлено Исследовательским центром оптоэлектроники Саутгемптонского университета.
Применение оптических волокон
Существует множество важных приложений волоконной оптики. Некоторые из самых важных:
В оптоволоконной связи используются оптические волокна в основном для передачи данных на большие расстояния, но иногда и на короткие расстояния.Огромные объемы данных могут быть быстро отправлены по одному волокну, которое также невосприимчиво к внешним воздействиям, таким как электрические и магнитные поля.
Активные волоконно-оптические устройства содержат некоторое количество волокна, легированного редкоземельными элементами. Волоконные лазеры могут генерировать лазерный свет на различных длинах волн, и могут использоваться, например, волоконно-оптические усилители. для увеличения оптической мощности или усиления некоторых слабых телекоммуникационных сигналов.
Волоконно-оптические датчики могут использоваться, например, для распределенных измерений температуры и деформации в зданиях, нефтепроводах и крыльях самолетов.
Пассивные оптические волокна [14] полезны для переноса света от одного источника в другую точку, например для таких целей, как освещение, диодная накачка лазеров и питание по волокну. Также они используются для соединения компонентов в волоконно-оптических устройствах, таких как интерферометры и волоконные лазеры. Затем они играют ту же роль, что и электрические провода в электронных устройствах.
Таким образом, волоконная оптика стала особенно важной областью в технологии фотоники.
Режимы волокна
— одномодовые и многомодовые волокна
Оптическое волокно может поддерживать одну или несколько (иногда даже много) направленных мод , распределения интенсивности которых расположены на сердцевине волокна или непосредственно вокруг нее, хотя часть интенсивности может распространяться внутри оболочки волокна. Кроме того, существует множество режимов оболочки, которые не ограничиваются областью сердцевины. Оптическая мощность в модах оболочки обычно теряется после некоторого умеренного расстояния распространения, но в некоторых случаях может распространяться на большие расстояния.Снаружи оболочки обычно имеется защитное полимерное покрытие, которое придает волокну улучшенную механическую прочность и защиту от влаги, а также определяет потери для мод оболочки. Такие буферные покрытия могут состоять, например, из акрилата, силикона или полиимида. На концах волокна часто приходится снимать покрытие.
Важное различие между одномодовыми и многомодовыми волокнами:
Одномодовые волокна обычно имеют относительно небольшую сердцевину (диаметром всего несколько микрометров) и могут направлять только одну пространственную моду (без учета того факта, что существуют два разных направления поляризации), профиль которой в большинстве случаев имеет примерно гауссову форму.Изменение условий запуска влияет только на мощность, вводимую в управляемый режим, тогда как пространственное распределение света, выходящего из волокна, является фиксированным. Для эффективного ввода света в одномодовое волокно обычно требуется лазерный источник с хорошим качеством луча и точной настройкой фокусирующей оптики для достижения согласования мод. Радиус моды одномодового волокна часто составляет порядка 5 мкм, но существуют также волокна с большой площадью моды с одномодовым наведением. В последнем случае допуски совмещения ниже по положению, но выше по углу (что может быть менее проблематичным).
Многомодовые волокна
имеют большую сердцевину и / или большую разницу в показателях преломления между сердцевиной и оболочкой, поэтому они поддерживают несколько режимов с различным распределением интенсивности (рис. 3). В этом случае пространственный профиль света, выходящего из сердцевины волокна, зависит от условий запуска, которые определяют распределение мощности между пространственными модами.
Рисунок 3: Профили амплитуды электрического поля в ближней зоне для всех направленных мод волокна с профилем показателя преломления в форме цилиндра (→ ступенчатое волокно с показателем преломления ). Два цвета обозначают разные знаки значений электрического поля. Мода низшего порядка ( l = 0, m = 1, называемая мода LP ₀₁) имеет профиль интенсивности, подобный профилю интенсивности гауссова пучка. Как правило, свет, попадающий в многомодовое волокно, вызывает суперпозицию различных мод, которые могут иметь сложную форму. Рисунок 4: Амплитуды поля в дальней зоне для того же волокна, что и на рисунке 3.
В системах оптоволоконной связи большой дальности обычно используются одномодовые волокна, поскольку разные групповые скорости разных мод могут искажать сигнал при высоких скоростях передачи данных (→ интермодальная дисперсия).Однако для более коротких расстояний многомодовые волокна более удобны, поскольку требования к источникам света и выравниванию компонентов ниже. Поэтому в локальных сетях (ЛВС), за исключением сетей с максимальной пропускной способностью, обычно используется многомодовое волокно.
Одномодовые волокна также обычно используются для волоконных лазеров и усилителей. Многомодовые волокна часто используются, например, для транспортировки света от лазерного источника к месту, где это необходимо, особенно когда источник света имеет плохое качество луча и / или для высокой оптической мощности требуется большая площадь моды.
Различные моды оптического волокна могут быть связаны посредством различных эффектов, например из-за изгиба или часто из-за неровностей профиля показателя преломления. Они могут быть нежелательными или намеренно введенными, например в качестве волоконных решеток Брэгга. Теория волноводов показывает, что важным фактором связи между различными модами волокна является разница в их волновых числах, которые для эффективного взаимодействия должны соответствовать пространственной частоте помехи связи.
Основные параметры
Конструкция волокна со ступенчатым показателем преломления может быть охарактеризована только двумя параметрами: e.г. радиус сердцевины a и разность показателей преломления Δ n между сердцевиной и оболочкой. Типичные значения радиуса сердцевины составляют несколько микрон для одномодовых волокон и десятки микрон или более для многомодовых волокон.
Вместо разницы показателей преломления обычно используется числовая апертура, определяемая как
, который является синусом максимально допустимого угла падающего луча по отношению к оси волокна (с учетом запуска из воздуха в сердцевину на лучево-оптическом изображении).( n ₀ — показатель преломления окружающей среды, близкий к 1 в случае воздуха.) АН также количественно определяет силу руководства. Типичные значения для одномодовых волокон составляют порядка 0,1, хотя фактические значения варьируются в относительно большом диапазоне. Например, одномодовые волокна с большой площадью моды могут иметь низкую числовую апертуру ниже 0,05, тогда как некоторые волокна, легированные редкоземельными элементами, имеют значения 0,3 и выше для высокой эффективности усиления. Значения NA около 0,3 являются типичными для многомодовых волокон. Чувствительность волокна к потерям на изгибе сильно уменьшается с увеличением числовой апертуры, что приводит к сильному ограничению модового поля сердцевиной.
Другой часто используемый параметр — это номер V
— это своего рода нормализованная частота. Одномодовое наведение достигается, когда число V ниже ≈ 2,405. Многомодовые волокна могут иметь огромные значения В и . Затем количество режимов масштабируется с помощью V ².
В качестве численного примера рассмотрим типичное кварцевое волокно со ступенчатым показателем преломления для одномодового режима работы в диапазоне 1.Спектральный диапазон 5 мкм, длина волны отсечки 1,3 мкм и числовая апертура 0,1. Показатель преломления оболочки из чистого кремнезема на длине волны 1,5 мкм составляет ≈ 1,444. Индекс ядра ≈ 1,4475, т.е. разница показателей ≈ 0,0035. Диаметр сердцевины составляет 10 мкм, а номер V равен 2,1.
Профили показателя преломления
Профиль показателя преломления оптических волокон часто существенно отличается от профиля показателя преломления ступеньки (с постоянным показателем преломления внутри сердцевины):
Из-за преимущественного испарения легирующей примеси во время схлопывания преформы (если предположить, что преформа изготовлена методом химического осаждения из паровой фазы, см. Ниже), часто наблюдается выраженный провал показателя преломления в центре.Для одномодовых волокон с малой площадью мод это не должно сильно влиять на распределение поля моды, которое в большинстве случаев очень напоминает гауссову форму.
Некоторые волокна изготавливаются с профилями градиентного показателя преломления (волокна с градиентным показателем преломления , ), где показатель преломления постепенно уменьшается от центра, например с параболической формой. Профили параболического индекса полезны, например, для многомодовых волокон, поскольку они минимизируют интермодальную дисперсию (см. ниже).
Существуют также «W-профили», в которых сердцевина окружена областью с показателем преломления ниже, чем у оболочки (, углубленная оболочка, ).В принципе, могут быть даже дополнительные ступеньки показателя преломления или комбинации с плавными изменениями показателя преломления.
Треугольные, трапециевидные и гауссовские профили показателя преломления используются для волокон со смещенной дисперсией.
Индексные профили не обязательно должны быть цилиндрическими. Например, эллиптическая форма сердцевины может обеспечить повышенное двулучепреломление (→ волокна с сохранением поляризации ) или даже однополяризационное наведение (→ однополяризационные волокна ) (см. Ниже).
Обратите внимание, что определения числовой апертуры и, следовательно, числа V становятся несколько неоднозначными для непрямоугольных профилей индекса.
Кроме того, существуют так называемые фотонно-кристаллические волокна (см. Ниже), профиль показателя преломления которых сильно структурирован.
Потери при распространении
Потери мощности при распространении света в оптическом волокне могут быть чрезвычайно малыми, особенно для одномодовых волокон из кварцевого стекла, используемых в телекоммуникациях. В результирующем затухании обычно преобладает рэлеевское рассеяние для коротких волн и многофононное поглощение на длинных волнах. Рэлеевское рассеяние возникает из-за флуктуаций показателя преломления, которые до некоторой степени неизбежны в стекле, но могут сильно увеличиваться из-за флуктуаций концентрации в волокнах с большой числовой апертурой.Другой вклад в потери вносят неупругое рассеяние (спонтанное рассеяние Бриллюэна и комбинационное рассеяние), поглощающие примеси и флуктуации диаметра сердцевины.
Для кварцевых волокон минимум потерь составляет около 1,5–1,6 мкм и может быть ниже 0,2 дБ / км (≈ 4,5% на км), что близко к теоретическому пределу, основанному на рэлеевском рассеянии в аморфном стеклянном материале. Часто наблюдается некоторый пик потерь около 1,4 мкм, который можно в значительной степени устранить, однако, путем тщательной оптимизации химического состава сердечника с целью снижения содержания ОН (т.е.е. концентрация гидроксильных связей). Интересно, что волокна с высоким содержанием ОН могут иметь более низкие потери для ультрафиолетового света, тогда как они демонстрируют ярко выраженные пики потерь в инфракрасной области спектра.
Многомодовые волокна и, как правило, волокна с высокой числовой апертурой, как правило, имеют значительно более высокие потери на распространение, в основном потому, что более высокий уровень легирования сердцевины увеличивает потери на рассеяние. Волокна, легированные редкоземельными элементами, также имеют гораздо более высокие потери, но поскольку такие волокна длиной более нескольких десятков метров используются редко, это обычно не имеет значения для их применений.
Свойства поляризации
Дисперсионные свойства
Производство волокна
Большинство оптических волокон изготавливается путем вытягивания из так называемой заготовки , которая представляет собой стеклянный стержень диаметром несколько сантиметров и длиной примерно 1 м. Вдоль своей оси преформа содержит область с повышенным показателем преломления, которая образует сердцевину. Когда преформа нагревается до температуры плавления в печи (печи), тонкое волокно диаметром обычно 125 мкм и длиной многие километры может вытягиваться из нижней части преформы.Перед намоткой на волокно обычно наносится полимерное буферное покрытие для механической и химической защиты.
Сердцевина волокна может быть легирована лазерно-активными ионами, обычно редкоземельными ионами эрбия, неодима, иттербия или тулия. Когда эти ионы возбуждаются подходящим светом накачки, происходит оптическое усиление, которое можно использовать в волоконных лазерах или усилителях.
Подробнее читайте в статье о производстве волокна.
Волоконно-оптические кабели
Фигура 5: Оптоволоконный разъем на конце оптоволоконного кабеля.Фотография любезно предоставлена NKT Photonics.
Стекловолокно удивительно прочные, учитывая, что стекло известно как особенно хрупкий материал. Однако дополнительная защита часто требуется, когда волокна используются в среде, например доступны операторам. Для лабораторного использования, например для передачи света от телекоммуникационной установки к некоторым диагностическим приборам, а также в крупных промышленных узлах удобно использовать оптоволоконные кабели с разъемами (оптоволоконные патчкорды , , см. рисунок 5), где фактическое волокно окружено дополнительными защитными слоями.Хотя голое стекловолокно может иметь типичный диаметр 125 мкм, а полимерный буфер и оболочка увеличивают его до нескольких сотен микрометров, общий диаметр волоконного кабеля может составлять несколько миллиметров. Помимо значительного усиления кабеля, материал кабеля (обычно желтого цвета) также значительно упрощает распознавание оператором волокна, что позволяет избежать слишком сурового обращения.
Более толстые волоконно-оптические кабели используются для передачи мощных лучей, напримерот диодных лазеров с волоконной связью до твердотельных лазерных головок или некоторого оборудования для обработки материалов. Для уровней мощности от сотен ватт до многих киловатт оптоволоконный кабель может иметь диаметр в несколько сантиметров. Волоконно-оптические кабели большой мощности могут также содержать датчики для обнаружения повреждений кабеля, чтобы можно было немедленно выключить лазерный источник, когда существует риск выхода мощного лазерного излучения из кабеля в месте повреждения. Такие меры предосторожности могут быть очень важны для лазерной безопасности.
Волоконно-оптические кабели для оптоволоконной связи на большие расстояния также довольно толстые, потому что они часто проходят через суровые условия и требуют соответствующей защиты. В крайнем случае, такие кабели могут лежать на морском дне или немного там закопаны. Требуется высокий уровень защиты от механических воздействий как во время установки, так и в более поздние сроки.
Конечно, волоконный кабель может содержать несколько волокон. Таким образом, и без того огромные возможности передачи данных одного волокна могут быть увеличены до чрезвычайно высоких уровней.
Волоконно-оптические компоненты
Многие оптические компоненты могут быть изготовлены непосредственно из волокон. Вот несколько примеров:
Другие оптоволоконные компоненты содержат объемные элементы с прикрепленными оптоволоконными соединениями. Примеры так называемых устройств с оптоволоконным соединением :
Волоконный коллиматор обеспечивает соединение между волоконной оптикой и оптикой свободного пространства. По сути, такое устройство содержит коллимационную линзу, преобразующую сильно расходящийся пучок от конца волокна в коллимированный пучок.Наконец, существуют механические соединения, обеспечивающие полупостоянные соединения между волокнами.
Полировка, скалывание и стыковка
Чистые и гладкие концы волокон можно получить с помощью техники полировки. Их также можно использовать для изготовления торцевых поверхностей, не перпендикулярных оси волокна. При угле наклона порядка 10 ° (полировка под углом ) отражения от концов волокна могут быть эффективно устранены на пути луча, так что, например, лазеры, чувствительные к отражению, хорошо защищены.
Намного более быстрый способ подготовки концов волокон — это скалывание . Здесь обычно тянут волокно, царапая его сбоку, например с вибрирующим алмазным диском. Это приводит к разрыву волокна с обычно довольно гладкими торцами — по крайней мере, вокруг области сердцевины. Скручивая волокно во время этого процесса, можно получить угловые сколы, но результаты менее воспроизводимы, чем при полировке.
Оптические волокна (особенно из диоксида кремния) также могут быть сращены вместе.Для изготовления прочных соединений волокон можно использовать технику сварки плавлением. Более простой способ — это механическое сращивание , при котором концы волокна прочно удерживаются вместе некоторыми механическими средствами, но не свариваются. Однако здесь потери при сварке обычно выше, даже когда они уменьшаются с помощью геля с согласованным показателем преломления между поверхностями.
Существует также много типов волоконных соединителей, которые позволяют получить хороший механический контакт (как при механическом сращивании), а также легко разъединять волокна по мере необходимости.
В общем, обращение с концами волокна является довольно деликатным делом по сравнению с обращением с электрическими соединениями. Помимо проблем, связанных с пылью, жиром и т.п., концы волокна относительно чувствительны и легко поцарапываются. Для их обращения часто требуется очень дорогое оборудование (например, высококачественные сварочные аппараты), особенно когда требуются надежные результаты в полевых условиях, то есть в сравнительно грязной среде. С другой стороны, справедливое сравнение с электрическими кабелями должно учитывать гораздо более высокую пропускную способность волокна.
Проблемы безопасности
Лазерная безопасность с точки зрения безопасности глаз — серьезная проблема для высокомощных волоконных устройств. Очень вредный мощный свет может выйти из поврежденного оптоволоконного кабеля; поэтому такие кабели должны быть хорошо защищены от повреждений и, возможно, контролироваться с помощью встроенных сенсорных систем.
В оптоволоконной связи уровни оптической мощности часто достаточно малы, чтобы избежать проблем с безопасностью для глаз, особенно при использовании безопасного для глаз диапазона длин волн около 1,5 мкм.Однако иногда могут возникать опасные уровни мощности, например в приложениях кабельного телевидения, где мощный усилитель создает сигнал, достаточный для разделения сигналов на множество волокон.
Другой риск для глаз связан не с лазерным излучением, а с острыми обрезками концов волокон, как, например, при расщеплении волокон. Эти обрезки очень острые, могут попасть в глаза, например, когда они прилипают к пальцу, а также могут проникать через кожу. Их также нельзя проглатывать.По этим причинам следует аккуратно утилизировать обрывки волокна в надлежащим образом промаркированный контейнер сразу же после их появления, принять меры, чтобы сделать их хорошо видимыми в рабочей зоне, и избегать еды и питья рядом с рабочей зоной.
Специальные типы волокон
Так называемые волокна с двойной оболочкой могут иметь одномодовую сердцевину и многомодовую внутреннюю оболочку, последняя переносит свет накачки, например мощного волоконного лазера или усилителя.
Существуют различные типы оптических волокон , сохраняющих поляризацию, в большинстве своем реализованных на основе сильного двойного лучепреломления.Линейная поляризация света сохраняется при условии, что начальная ось поляризации совмещена с осью двулучепреломления волокна. Кроме того, существуют также однополяризационные волокна ( поляризационные волокна ), в которых одно направление поляризации испытывает большие потери.
Особым видом оптических волокон является фотонно-кристаллическое волокно ( PCF ), также называемое микроструктурным волокном или дырчатым волокном. Такие волокна обычно состоят только из одного материала (обычно диоксида кремния), содержащего очень маленькие отверстия для воздуха с диаметром значительно меньше 1 мкм.Изготовление таких волокон возможно за счет использования преформ с отверстиями, например путем штабелирования капиллярных трубок. Изменяя расположение воздушных отверстий, можно получить волокна с очень разными свойствами, например
Волоконно-фотонно-кристаллические волокна в настоящее время вызывают большой интерес для широкого круга приложений, включая чрезвычайно нелинейные волоконно-оптические устройства, солитонные волоконные лазеры, работающие на коротких длинах волн, и мощные волоконные усилители.
Хотя большинство сердечников волокна состоят из некоторых разновидностей кремнезема (например,г. германосиликатное или алюмосиликатное стекло), также можно использовать другие стеклянные материалы. Примеры:
Недорогие многомодовые волокна могут быть изготовлены из полимеров (, пластиковые оптические волокна, , POF), которые являются дешевыми материалами, позволяют простое производство путем экструзии, а также являются прочными и гибкими даже при изготовлении с большим диаметром. В некоторых областях применения они позволяют получать значительно более дешевые решения, чем это возможно со стекловолокном. В настоящее время даже фотонно-кристаллические волокна можно изготавливать из полимеров.Некоторые полимерные волокна также могут использоваться для направления терагерцовых волн.
В некоторых случаях волокна сделаны из кристаллических материалов, таких как сапфир, но эти волокна обычно не гибкие и могут рассматриваться как тонкие стержни с использованием волноводного распространения (со структурой сердечника в центре или без нее). Их можно использовать для очень мощных волоконных лазеров и усилителей.
Повреждение волокон
Оптоволоконные устройства могут быть повреждены во время работы различными способами. В этом контексте актуальны различные аспекты:
Рисунок 6: Торцевая крышка без сердечника на стержне из фотонно-кристаллического волокна.Фотография любезно предоставлена NKT Photonics.
Концы волокна особенно уязвимы для лазерных повреждений. Граница раздела воздух – стекло имеет более низкий порог повреждения, чем объемный материал. Например, для кварцевых световодов флюенс повреждения поверхности составляет ≈ 22 Дж / см ² для импульсов длительностью 1 нс на длине волны 1 мкм [11]. Для импульсов с более высокой пиковой интенсивностью или плотностью энергии может потребоваться использование торцевых заглушек без сердечника (рисунок 6). Поверхности из волокна становятся еще более уязвимыми при попадании пыли.Кроме того, воздействие высокой оптической мощности на конец волокна может привести к перегреву расположенного рядом полимерного покрытия.
Даже при не очень высоких средних мощностях первоначальное повреждение конца волокна может иметь следствием расплавление волокна, распространяющееся по всему волокну в обратном направлении.
При слишком высоких пиковых мощностях может возникнуть самофокусировка, которая еще больше увеличивает интенсивность и приводит к немедленному повреждению. Для кварцевых волокон этот эффект имеет тенденцию проявляться выше пороговой мощности примерно 4 МВт, относительно независимо от области моды.
В волоконных усилителях с высоким коэффициентом усиления, изготовленных из волокон, легированных редкоземельными элементами, может возникать паразитная генерация с последующим своего рода эффектом модуляции добротности, который может разрушить волокно.
Из-за слишком высокой рассеиваемой мощности на единицу длины волокно может перегреться. В особенности это касается акрилатных покрытий. Водяное охлаждение является эффективным средством подавления таких эффектов.
Сравнение оптических волокон с электрическими кабелями
В некоторых технических областях, таких как оптическая передача данных на большие расстояния или между компьютерными микросхемами, оптические волокна (или другие волноводы) конкурируют с электрическими кабелями.По сравнению с последними они имеют ряд ярко выраженных преимуществ:
Волоконно-оптические кабели намного легче электрических кабелей.
Пропускная способность оптического волокна для передачи данных на порядки выше, чем у любого электрического кабеля.
Потери при передаче в волокне могут быть очень низкими: значительно ниже 1 дБ / км для оптимальных длин волн, которые составляют около 1,5 мкм.
Большое количество каналов может быть повторно усилено в одном волоконном усилителе, если требуется для очень больших расстояний передачи.
Оптические соединения для передачи данных по оптоволокну сравнительно трудно перехватить и ими управлять, что обеспечивает дополнительную безопасность даже без использования методов шифрования. Для очень высокого уровня безопасности можно использовать квантовую криптографию.
Волоконно-оптические соединения невосприимчивы к электромагнитным помехам, проблемам с контурами заземления и т.п.
Волокна не представляют опасности возгорания или взрыва взрывчатых веществ (если только волокно с высокой оптической мощностью не порвется).
С другой стороны, волокна также имеют свои недостатки:
Оптоволоконные соединения сравнительно чувствительны и трудны в обращении, особенно при использовании одномодовых волокон. Требуется точное выравнивание и высокая чистота. По этим причинам волоконно-оптические соединения часто являются конкурентоспособными только в том случае, если можно использовать широкую полосу пропускания.
Стекловолокно нельзя изгибать очень сильно, поскольку это может вызвать большие потери при изгибе или даже поломку. Это может быть проблемой e.г. в контексте технологий «оптоволокно до дома». Однако обратите внимание, что кварцевые волокна на удивление устойчивы к изгибу — намного больше, чем большинство других изделий из стекла.
Поставщики
Справочник покупателя RP Photonics содержит информацию о 157 поставщиках волокон. Среди них:
NKT Photonics
Наш портфель специализированных волокон Crystal Fiber включает в себя нелинейные волокна, оптимизированные для генерации суперконтинуума с охватом октавы, крупнейшие в мире одномодовые иттербиевые волокна с усилением для мощных лазеров и усилителей, а также современные волокна с полой сердцевиной, направляющие свет в воздухе.Наши одномодовые волокна LMA также доступны в виде патч-кордов со стандартной оконечной нагрузкой в нашем ассортименте продукции aeroGUIDE.
TOPTICA Photonics
Оптические волокна от TOPTICA: идеально подходят для перестраиваемых диодных лазеров TOPTICA:
— с сохранением поляризации (PM)
— мощные, AR и оптоволоконные делители / сумматоры
— широкий диапазон длин волн (350 нм — 1625 нм)
— идеально подходит для FiberDock и FiberOut
— отдельные варианты оптоволокна для различных приложений
Вопросы и комментарии пользователей
Здесь вы можете оставлять вопросы и комментарии.Если они будут приняты автором, они появятся над этим абзацем вместе с ответом автора. Автор принимает решение о приеме на основании определенных критериев. По сути, вопрос должен представлять достаточно широкий интерес.
Пожалуйста, не вводите здесь личные данные; в противном случае мы бы скоро удалили его. (См. Также нашу декларацию о конфиденциальности.) Если вы хотите получить личный отзыв или консультацию от автора, пожалуйста, свяжитесь с ним, например по электронной почте.
Отправляя информацию, вы даете свое согласие на возможную публикацию ваших материалов на нашем веб-сайте в соответствии с нашими правилами.(Если позже вы откажетесь от своего согласия, мы удалим эти данные.) Поскольку ваши материалы сначала рассматриваются автором, они могут быть опубликованы с некоторой задержкой.
Библиография
[1] К. К. Као и Г. А. Хокхэм, «Поверхностные световоды из диэлектрического волокна для оптических частот», Proc. Inst. Избрать. Англ. 113, 1151 (1966), DOI: 10.1049 / piee.1966.0189
[2] К. К. Као, Т. В. Дэвис, «Спектрофотометрические исследования оптических стекол со сверхнизкими потерями — I: однолучевой метод», J.Phys. E 2 (1), 1063 (1968), doi: 10.1088 / 0022-3735 / 1/11/303
[3] D. Gloge, «Слабо направляющие волокна», Appl. Опт. 10 (10), 2252 (1971), DOI: 10.1364 / AO.10.002252
[4] WA Gambling, «Рост и подъем оптических волокон», JSTQE 6 (6), 1084 (2000) ( информативный обзор развития стекловолокна)
[5] А.В. Снайдер, «Путеводный свет в тысячелетие», J. Sel. Верхний. Quantum Electron.6 (6), 1408 (2000), DOI: 10.1109 / 2944.5
[6] М. Дж. Пэджетт, «Орбитальный угловой момент через 25 лет», Опт. Express 25 (10), 11265 (2017), doi: 10.1364 / OE.25.011265
[7] Ключевые слова Timbercon для оптоволокна
[8] AW Снайдер и Дж.Д. Лав, оптический волновод Theory , Chapman and Hall, London (1983)
[9] J. Hecht, City of Light, The Story of Fiber Optics , Oxford University Press, New York (1999)
[ 10] Дж.А. Бак, Основы оптических волокон , Уайли, Хобокен, Нью-Джерси (2004)
[11] W. Koechner, Solid-State Laser Engineering , 6-е изд., Springer, Berlin (2006) )
[12] F. Mitschke, Fiber Optics: Physics and Technology , Springer, Berlin (2010)
[13] R. Paschotta, Field Guide to Optical Fiber Technology , SPIE Press, Беллингхэм, Вашингтон (2010)
[14] R.Пашотта, учебное пособие по «Пассивной волоконной оптике»
[15] Р. Пашотта, учебное пособие по «Моделирование волоконных усилителей и лазеров»
(Предлагайте дополнительную литературу!)
См. Также: волоконная оптика, кремнеземные волокна, пластиковые оптические волокна, волокна, легированные редкоземельными элементами, волокна среднего инфракрасного диапазона, волокна с двойной оболочкой, одномодовые волокна, многомодовые волокна, волокна с градиентным коэффициентом преломления, моды, моды LP, фотонные кристаллические волокна, волокна с большой площадью мод, специальные волокна, эффективная площадь мод, преобразователи поля моды, длина волны отсечки, сужающиеся волокна, волокна с сохранением поляризации, волокна с уменьшением дисперсии, волокна со смещенной дисперсией, волоконные решетки Брэгга, волоконно-оптические датчики , мощность по волокну, волоконные лазеры, волноводы, моды оболочки, поляризационная модовая дисперсия, числовая апертура, стыки волокон, расщепление волокон, сварка волокон, торцевые заглушки без сердечника, предохранитель волокна, The Photonics Spotlight 2006-12-03
и другие статьи категории волоконная оптика и волноводы
Если вам нравится эта страница, поделитесь ссылкой со своими друзьями и коллегами, e.г. через соцсети:
Эти кнопки общего доступа реализованы с учетом конфиденциальности!
Код для ссылок на других сайтах
Если вы хотите разместить ссылку на эту статью на каком-либо другом ресурсе (например, на своем веб-сайте, в социальных сетях, дискуссионном форуме, Википедии), вы можете получить здесь необходимый код.
HTML-ссылка на эту статью:
Статья о волокнах в Энциклопедия фотоники RP
С изображением предварительного просмотра (см. Рамку чуть выше):
alt = "article">
Для Википедии, например в разделе «== Внешние ссылки ==»:
* [https://www.rp-photonics.com/fibers.html статья «Волокна» в энциклопедии RP Photonics]
Одномодовое волокно
В этом примере мы покажем вам, как моделировать простое одномодовое оптическое волокно
, оптимизированное для использования в диапазоне длин волн 1310 нм.В этом примере будут рассмотрены основные функции
OptiFiber. Вы можете найти этот пример как файл SMF-
28.fcd в каталоге Samples.
Определение профиля волокна
Чтобы определить профиль волокна, выполните следующие действия:
Шаг Действие
1 В меню «Файл» нажмите «Создать», чтобы открыть новый проект.
2 2. Щелкните значок «Профиль волокна» на панели «Навигатор».
3 3. В диалоговом окне «Выбор типа профиля» нажмите «Профиль показателя преломления».
4 4. В диалоговом окне «Профиль волокна» добавьте две области: «Область 0» и «Область 1». Для «Области 0» введите следующие данные:
Ширина: 4,15
Профиль: постоянный
Индекс: 1.45213
Щелкните « Применять»
Для «Области 1» введите следующие данные:
Ширина: 58,35
Профиль: постоянный
Индекс: 1,44692
Нажмите «Применить»
Введите значение длины волны 1.3 мкм.
Профиль вашего волокна должен выглядеть следующим образом:
Обратите внимание, что показаны как абсолютные значения эталонных индексов, так и нормализованная разность
Δ.
Определение моделей дисперсии
Чтобы определить модель дисперсии, выполните следующие действия:
Шаг Действие
1 В диалоговом окне «Профиль волокна» выберите «Определить» в группе элементов управления «Свойства материала».
2 В диалоговом окне «Свойства материала» выберите «Определить» в разделе «Хост».
3 В диалоговом окне «Параметры материала» выберите «Чистый диоксид кремния» из библиотеки
и нажмите Get, а затем нажмите OK, чтобы закрыть диалоговое окно «Параметры материала». В диалоговом окне «Свойства материала» можно увидеть, что основным материалом теперь является «Чистый диоксид кремния».
4 Определите 3, аналогично предыдущему шагу.1% кремнезема, легированного германием для материала «Dopant +»
5 Аналогично предыдущему шагу определите 1% диоксида кремния, легированного фтором, для материала
«Допант-». Таким образом, вы определили два эталонных материала, которые будут использоваться для расчета дисперсии материала и дисперсии профиля волокна.
6 Нажмите OK в диалоговом окне «Свойства материала», чтобы закрыть его.
7 Нажмите OK в диалоговом окне «Fiber Profile», чтобы закрыть его.
Диалоговое окно «Свойства материала» выглядит следующим образом:
Расчет мод волокна
Чтобы рассчитать профиль волокна, выполните следующие действия:
Шаг Действие
1 Щелкните значок «Режимы» на панели «Навигатор».
2 Выберите параметр «Режимы LP (матричный метод)»
3 Нажмите «Пересчитать режимы».Программа предоставляет модальный индекс на заданной длине волны и показывает предварительный просмотр модального поля.
4 В окне «Просмотры» выберите вкладку «Поле режима», чтобы просмотреть модальное поле.
5 На панели инструментов «Инструменты графика» выберите «Вырез по X», затем щелкните и перетащите курсор по графику, чтобы проверить нормализованное поле режима «X-сечение». Цвет по умолчанию для линий «X Cut» — зеленый.
6 На панели инструментов «Инструменты графика» выберите «Вырез по оси Y», затем щелкните и перетащите курсор по графику, чтобы проверить нормализованное Y-сечение поля режима.Цвет по умолчанию для линий графика «Y Cut» — красный.
Когда вы щелкаете и перетаскиваете левую кнопку мыши внутри вкладки вида «Поле режима» с активными
«X Cut» и «Y Cut», тогда вид будет выглядеть следующим образом:
Расчет длины волны отсечки
Чтобы рассчитать длину волны отсечки, выполните следующие действия:
Шаг Действие
1 Щелкните значок «Cutoff» на панели «Navigator».
2 Выберите параметр «Режимы LP (матричный метод)».
3 Нажмите «Пересчитать». Программа показывает управляемые режимы в списке. Если поддерживается только LP01 — уменьшите длину волны.
4 Выберите режим «LP11» из списка.
5 Нажмите кнопку Calc. Кнопка «Отключение». Программа показывает:
— «теоретическое» значение длины волны отсечки 1,33204 мкм.
— значение отсечки, соответствующее стандарту ITU-T, равное 1.231 мкм.
Расчетные свойства основной моды
Чтобы рассчитать свойства основной моды, выполните следующие действия:
Шаг Действие
1 Щелкните значок «Основной режим сканирования» на панели «Навигатор».
2 В диалоговом окне «Свойства основного режима» выберите все доступные
параметры «Вычислить»
3 Оставьте значения по умолчанию для параметров материала, изгиба и потерь в стыках
4 В списке раздела «Сканирование» выберите «Длина волны», которая также является опцией по умолчанию
.68
5 В разделе «Параметр» введите «От» = 1,2, «До» = 1,6, «Шаги» = 100.
6 Щелкните «Рассчитать».
Просмотр результатов
Вы можете просмотреть выходные графики в окне просмотра, выбрав соответствующие вкладки:
Вкладка «Модальный индекс»: график зависимости модального индекса от текущего параметра сканирования, т.е. длины волны
Вкладка «Групповая задержка»: график зависимости групповой задержки отпараметр сканирования.
Вкладка «Дисперсия»: график зависимости материала, волновода и полной дисперсии от параметра сканирования. Длина волны нулевой дисперсии и наклон показаны на графике.
Вкладка «Mode Measures»: графики ближнего и дальнего поля, эффективного диаметра модового поля и эффективной модовой площади в зависимости от параметра сканирования.
Вкладка «Материальные потери»: график зависимости потерь материала от длины волны.
Вкладка
«Потери на изгибе»: графики зависимости потерь на микро- и макро-изгибе.параметр сканирования.
Вкладка «Потери при сварке»: график зависимости потерь при сварке от параметра сканирования.
«Эфф. Вкладка «Нелинейный ПП»: отображает эффективный нелинейный показатель преломления волокна в зависимости от параметра сканирования.
Моделирование поляризационной модовой дисперсии
Двулучепреломление
Чтобы смоделировать двулучепреломление, выполните следующие действия:
Шаг Действие
1 Щелкните значок «Двулучепреломление» на панели «Навигатор».
2 В диалоговом окне «Двулучепреломление» установите флажок «Вызвано возмущением, параметры
».Доступны записи «Фотоупругие константы».
3 В разделе «Фотоупругие постоянные» введите: Модуль Юнга 7750000000, C 3,44e-011, коэффициент Пуассона 0,164.
4 В разделе параметров «Вызвано возмущением» отметьте «Внешний», «Изгиб» и «Волокно, намотанное на катушку с натяжением».
5 Введите значение «Гибка» 0,12
6 Введите значение 0 для параметра «Волокно, намотанное на катушку с натяжением».5.
7 В разделе «Выход» введите «Спектральный диапазон» 0,4 и «Число шагов» 51.
8 Нажмите OK, чтобы закрыть диалоговое окно «Двулучепреломление»
9 Перейдите на вкладку просмотра «Двулучепреломление». На графике нанесены двулучепреломление и дифференциальная групповая задержка (DGD) в зависимости от длины волны.
Вкладка просмотра «Двулучепреломление» должна выглядеть следующим образом:
Поляризационная модовая дисперсия
Для моделирования поляризационной модовой дисперсии выполните следующие действия:
Шаг Действие
1 Щелкните значок «PMD» на панели «Навигатор».
2 Определите параметры для моделирования PMD: Fiber Length 1000, Coupling Length 20.Характеристики двулучепреломления предоставляются для вашей информации и отключены в этом диалоговом окне.
3 Выберите «Спектральное моделирование»: Spectral Range 0,1, Number of Steps 201.
4 Нажмите «ОК», чтобы закрыть диалоговое окно «Дисперсия режима поляризации» и начать моделирование.
5 Перейдите на вкладку графики «PMD». Для спектрального моделирования построены зависимости PMD первого и второго порядка от длины волны.(Для ансамблевого моделирования будет отображаться зависимость PMD первого порядка от количества прогонов).
Вкладка просмотра «PMD» должна выглядеть примерно так:
Кроме того, в отдельном окне будут отображаться среднее значение и среднеквадратичное значение (среднеквадратичное значение) PMD первого
и второго порядка.
Характеристики производительности
Вот таблица, в которой сравниваются результаты OptiFiber с типичным волокном (Corning SMF-
28.):
Характеризуемый параметр Расчетное значение Типовое значение
Длина волны нулевой дисперсии, λ ₀ 1,309 мкм 1,302 мкм <λ ₀ <1,322 мкм
Наклон нулевой дисперсии, S0 0,0856 пс / (нм ² * км) <0,089ps / (нм ² * км)
Эфф. MFD на 1310 нм 8,9 мкм 9.20 ± 0,4 мкм
ЭФФ. MFD на 1550 нм 9,9 мкм 10,4 ± 0,5 мкм
Эффективный групповой индекс 1,4676 1,4675
Длина волны отсечки LP11 1,23 мкм <1,260 мкм
Данные SMF-28 были взяты из общедоступных спецификаций на веб-сайте Corning
www.corning.com/opticalfiber/
Corning — зарегистрированная торговая марка, а SMF-28 — торговая марка Corning
incorporated, Corning, NY, США.
Лучшее по цене одномодовое SM-волокно — выгодные предложения на одномодовое SM-волокно от глобальных продавцов одномодового SM-волокна
Отличные новости !!! Вы находитесь в нужном месте для одномодового SM-волокна. К настоящему времени вы уже знаете, что что бы вы ни искали, вы обязательно найдете это на AliExpress. У нас буквально тысячи отличных продуктов во всех товарных категориях. Ищете ли вы товары высокого класса или дешевые и недорогие оптовые закупки, мы гарантируем, что он есть на AliExpress.
Вы найдете официальные магазины торговых марок наряду с небольшими независимыми продавцами со скидками, каждый из которых предлагает быструю доставку и надежные, а также удобные и безопасные способы оплаты, независимо от того, сколько вы решите потратить.
AliExpress никогда не уступит по выбору, качеству и цене.Каждый день вы будете находить новые онлайн-предложения, скидки в магазинах и возможность сэкономить еще больше, собирая купоны. Но вам, возможно, придется действовать быстро, поскольку это лучшее одномодовое SM-волокно вскоре станет одним из самых востребованных бестселлеров. Подумайте, как вам будут завидовать друзья, когда вы скажете им, что приобрели одномодовое SM-волокно на AliExpress. Благодаря самым низким ценам в Интернете, дешевым тарифам на доставку и возможности получения на месте вы можете еще больше сэкономить.
Если вы все еще не уверены в одномодовом SM-волокне и думаете о выборе аналогичного продукта, AliExpress — отличное место для сравнения цен и продавцов.Мы поможем вам разобраться, стоит ли доплачивать за высококачественную версию или вы получаете столь же выгодную сделку, приобретая более дешевую вещь. А если вы просто хотите побаловать себя и потратиться на самую дорогую версию, AliExpress всегда позаботится о том, чтобы вы могли получить лучшую цену за свои деньги, даже сообщая вам, когда вам будет лучше дождаться начала рекламной акции. и ожидаемая экономия.AliExpress гордится тем, что у вас всегда есть осознанный выбор при покупке в одном из сотен магазинов и продавцов на нашей платформе.Реальные покупатели оценивают качество обслуживания, цену и качество каждого магазина и продавца. Кроме того, вы можете узнать рейтинги магазина или отдельных продавцов, а также сравнить цены, доставку и скидки на один и тот же продукт, прочитав комментарии и отзывы, оставленные пользователями. Каждая покупка имеет звездный рейтинг и часто имеет комментарии, оставленные предыдущими клиентами, описывающими их опыт транзакций, поэтому вы можете покупать с уверенностью каждый раз. Короче говоря, вам не нужно верить нам на слово — просто слушайте миллионы наших довольных клиентов.
А если вы новичок на AliExpress, мы откроем вам секрет. Непосредственно перед тем, как вы нажмете «купить сейчас» в процессе транзакции, найдите время, чтобы проверить купоны — и вы сэкономите еще больше. Вы можете найти купоны магазина, купоны AliExpress или собирать купоны каждый день, играя в игры в приложении AliExpress. Вместе с бесплатной доставкой, которую предлагают большинство продавцов на нашем сайте, вы сможете приобрести single mode sm fiber по самой выгодной цене.
У нас всегда есть новейшие технологии, новейшие тенденции и самые обсуждаемые лейблы. На AliExpress отличное качество, цена и сервис всегда в стандартной комплектации. Начните лучший опыт покупок прямо здесь.
Будет ли одномодовое оптоволокно работать через многомодовый приемопередатчик SFP?
Сетевые установщики обычно сталкиваются с ситуацией, когда устройство, которое у вас есть в вашей сети, не всегда подходит и отлично работает с оптоволокном.Они планируют построить кабельную установку на основе многомодовой кабельной разводки, но из-за ограничений по линии связи или по другим причинам им приходится соединять многомодовое оборудование с одномодовыми устройствами. Насколько это возможно? Или, говоря более конкретно, могу ли я использовать многомодовый SFP поверх одномодового волокна или наоборот? Эта статья предоставит вам подробную иллюстрацию осуществимости решений и познакомит с двумя соответствующими устройствами (кабелем согласования мод и преобразователем среды многомодового волокна в одномодовое).
Одномодовое оптоволокно через многомодовый SFP — вы можете, если повезет
Это вопрос, который задавали столько раз, но никто не может дать точного ответа — да или нет.Поэтому давайте проиллюстрируем это более подробно.
Большинство людей думают, что одномодовые и многомодовые волокна нельзя взаимозаменять из-за длины волны лазера и размера сердцевины волокна. В одномодовом волокне (MMF) в качестве источника света используется лазер (световой луч очень концентрирован), а в многомодовом волокне (MMF) для генерации сигнала используется светодиод. Для генерации сигнала потребуются два существенно разных устройства.
Размеры сердечников сильно различаются между SMF и MMF.SMF составляет 9 микрон, а многомодовый — 62,5 или 50 микрон. Если пользователи попытаются объединить одномодовые и многомодовые кабели в одной сети, у них могут возникнуть проблемы с обработкой сигналов двух разных типов.
Однако можно соединить два устройства, используя интерфейсы SMF на одном конце и приемник MMF на другом конце. Имейте в виду, что это зависит от устройств, так что вы можете, если вам повезет. При подключении одномодового дуплексного волокна LC к приемопередатчику многомодового волокна (1000GBASE-SX) в сети вы обнаружите, что соединение установлено (индикатор на переключателе загорится зеленым).Следовательно, приемопередатчик многомодового волокна, соединенный одномодовым волокном, подходит для применения на малых расстояниях. Следующее изображение представляет собой реальный снимок экрана одномодовых волокон, вставляемых в 1000BASE-SX SFP.
Хотя следует подчеркнуть, что ссылка не является надежной и работает только для устройств определенных брендов с очень короткой длиной ссылки. Многие продвинутые производители, такие как Huawei, Alcatel или Cisco, не поддерживают его. Тем не менее, из-за эффекта дифференциальной задержки режима (DMD) потеря сигнала в этом соединении также недопустима.
В общем, это возможно, но не рекомендуется. Если вам необходимо установить соединение между одномодовым и многомодовым интерфейсами, вам лучше использовать промежуточный переключатель, который может преобразовывать сигналы между одномодовыми и многомодовыми волокнами. В следующей части будут представлены два решения, которые могут быть полезны для многомодового и одномодового преобразования.
Решение 1. Кабель MCP — одномодовый вход и многомодовый выход
Что касается многомодового волокна с одномодовыми SFP, большинство людей упоминают патч-кабели для согласования режимов (MCP).Кабель MCP выпускается для поддержки оптики 1000BASE-LX по многомодовой кабельной системе. Кабели согласования режимов позволяют клиентам успешно запускать Gigabit Ethernet через наш многомодовый кабель с использованием одномодовых оптоволоконных трансиверов. Cisco 1000BASE-LX / LH SFP — это специальный тип трансивера, который может поддерживать как одномодовые, так и многомодовые волокна. На изображении ниже показана разница между стандартным многомодовым соединительным кабелем SC и соединительным кабелем для согласования режима SC.
Тогда в этой ситуации вы можете успешно работать от одномодового оптоволоконного приемопередатчика по многомодовому оптоволокну с использованием кабелей MCP, но расстояние не будет превышать спецификацию канала для многомодовых трансиверов.В противном случае в кабеле будут большие потери сигнала.
В общем, если вы хотите проложить многомодовый оптоволоконный кабель через SFP 1000BASE-LX, вы можете использовать кабель согласования режимов. Однако коммутационные шнуры для согласования режимов требуются для расстояний более 984 футов (300 метров). Для расстояния менее 300 м, пожалуйста, не используйте коммутационные шнуры для согласования режимов (хотя на коротких ссылках это не проблема).
Решение 2: Медиаконвертер из волокна в волокно — преобразование между многомодовым и одномодовым волокном
Как отмечалось ранее, кабели согласования режимов в некоторой степени могут обеспечивать соединение между одномодовым и многомодовым, но нельзя сказать, что вы можете преобразовать одномодовый режим в многомодовый или наоборот.Преобразование мод между многомодовым и одномодовым волокном часто требует преобразователей среды волокна в волокно или преобразователя одномодового волокна в многомодовое.
На приведенной выше схеме два коммутатора Ethernet, оборудованные портами для многомодового волокна, соединены с помощью пары преобразователей волокна в волокно, которые преобразуют многомодовое волокно в одномодовое и обеспечивают возможность подключения к сети на расстоянии между гигабитными коммутаторами.
Заключение
На самом деле не имеет особого смысла использовать одномодовые оптоволоконные трансиверы с многомодовыми оптоволоконными кабелями в вашей сети или наоборот, хотя соединение все же появится.Как я уже сказал выше, вы можете, если вам повезет, подключиться. Кабели MCP и преобразователь волокна в волокно — это два доступных варианта для одномодового и многомодового подключения. Если вы купили не тот оптоволоконный кабель, просто замените его на правильный. Волоконно-оптические кабели и модули оптических приемопередатчиков сегодня очень дешевы. Вам не нужно будет смешивать их в одной сети.
Первоисточник: Одномодовое оптоволокно для работы с многомодовым SFP-трансивером
.

[1]	К. К. Као и Г. А. Хокхэм, «Поверхностные световоды из диэлектрического волокна для оптических частот», Proc. Inst. Избрать. Англ. 113, 1151 (1966), DOI: 10.1049 / piee.1966.0189
[2]	К. К. Као, Т. В. Дэвис, «Спектрофотометрические исследования оптических стекол со сверхнизкими потерями — I: однолучевой метод», J.Phys. E 2 (1), 1063 (1968), doi: 10.1088 / 0022-3735 / 1/11/303
[3]	D. Gloge, «Слабо направляющие волокна», Appl. Опт. 10 (10), 2252 (1971), DOI: 10.1364 / AO.10.002252
[4]	WA Gambling, «Рост и подъем оптических волокон», JSTQE 6 (6), 1084 (2000) ( информативный обзор развития стекловолокна)
[5]	А.В. Снайдер, «Путеводный свет в тысячелетие», J. Sel. Верхний. Quantum Electron.6 (6), 1408 (2000), DOI: 10.1109 / 2944.5
[6]	М. Дж. Пэджетт, «Орбитальный угловой момент через 25 лет», Опт. Express 25 (10), 11265 (2017), doi: 10.1364 / OE.25.011265
[7]	Ключевые слова Timbercon для оптоволокна
[8]	AW Снайдер и Дж.Д. Лав, оптический волновод Theory , Chapman and Hall, London (1983)
[9]	J. Hecht, City of Light, The Story of Fiber Optics , Oxford University Press, New York (1999)
[ 10]	Дж.А. Бак, Основы оптических волокон , Уайли, Хобокен, Нью-Джерси (2004)
[11]	W. Koechner, Solid-State Laser Engineering , 6-е изд., Springer, Berlin (2006) )
[12]	F. Mitschke, Fiber Optics: Physics and Technology , Springer, Berlin (2010)
[13]	R. Paschotta, Field Guide to Optical Fiber Technology , SPIE Press, Беллингхэм, Вашингтон (2010)
[14]	R.Пашотта, учебное пособие по «Пассивной волоконной оптике»
[15]	Р. Пашотта, учебное пособие по «Моделирование волоконных усилителей и лазеров»

Шаг	Действие
1	В меню «Файл» нажмите «Создать», чтобы открыть новый проект.
2	2. Щелкните значок «Профиль волокна» на панели «Навигатор».
3	3. В диалоговом окне «Выбор типа профиля» нажмите «Профиль показателя преломления».
4	4. В диалоговом окне «Профиль волокна» добавьте две области: «Область 0» и «Область 1». Для «Области 0» введите следующие данные: Ширина: 4,15 Профиль: постоянный Индекс: 1.45213 Щелкните « Применять» Для «Области 1» введите следующие данные: Ширина: 58,35 Профиль: постоянный Индекс: 1,44692 Нажмите «Применить» Введите значение длины волны 1.3 мкм. Профиль вашего волокна должен выглядеть следующим образом:

Шаг	Действие
1	В диалоговом окне «Профиль волокна» выберите «Определить» в группе элементов управления «Свойства материала».
2	В диалоговом окне «Свойства материала» выберите «Определить» в разделе «Хост».
3	В диалоговом окне «Параметры материала» выберите «Чистый диоксид кремния» из библиотеки и нажмите Get, а затем нажмите OK, чтобы закрыть диалоговое окно «Параметры материала». В диалоговом окне «Свойства материала» можно увидеть, что основным материалом теперь является «Чистый диоксид кремния».
4	Определите 3, аналогично предыдущему шагу.1% кремнезема, легированного германием для материала «Dopant +»
5	Аналогично предыдущему шагу определите 1% диоксида кремния, легированного фтором, для материала «Допант-». Таким образом, вы определили два эталонных материала, которые будут использоваться для расчета дисперсии материала и дисперсии профиля волокна.
6	Нажмите OK в диалоговом окне «Свойства материала», чтобы закрыть его.
7	Нажмите OK в диалоговом окне «Fiber Profile», чтобы закрыть его.

Шаг	Действие
1	Щелкните значок «Режимы» на панели «Навигатор».
2	Выберите параметр «Режимы LP (матричный метод)»
3	Нажмите «Пересчитать режимы».Программа предоставляет модальный индекс на заданной длине волны и показывает предварительный просмотр модального поля.
4	В окне «Просмотры» выберите вкладку «Поле режима», чтобы просмотреть модальное поле.
5	На панели инструментов «Инструменты графика» выберите «Вырез по X», затем щелкните и перетащите курсор по графику, чтобы проверить нормализованное поле режима «X-сечение». Цвет по умолчанию для линий «X Cut» — зеленый.
6	На панели инструментов «Инструменты графика» выберите «Вырез по оси Y», затем щелкните и перетащите курсор по графику, чтобы проверить нормализованное Y-сечение поля режима.Цвет по умолчанию для линий графика «Y Cut» — красный.

Шаг	Действие
1	Щелкните значок «Cutoff» на панели «Navigator».
2	Выберите параметр «Режимы LP (матричный метод)».
3	Нажмите «Пересчитать». Программа показывает управляемые режимы в списке. Если поддерживается только LP01 — уменьшите длину волны.
4	Выберите режим «LP11» из списка.
5	Нажмите кнопку Calc. Кнопка «Отключение». Программа показывает: — «теоретическое» значение длины волны отсечки 1,33204 мкм. — значение отсечки, соответствующее стандарту ITU-T, равное 1.231 мкм.

Шаг	Действие
1	Щелкните значок «Основной режим сканирования» на панели «Навигатор».
2	В диалоговом окне «Свойства основного режима» выберите все доступные параметры «Вычислить»
3	Оставьте значения по умолчанию для параметров материала, изгиба и потерь в стыках
4	В списке раздела «Сканирование» выберите «Длина волны», которая также является опцией по умолчанию .68
5	В разделе «Параметр» введите «От» = 1,2, «До» = 1,6, «Шаги» = 100.
6	Щелкните «Рассчитать».

Шаг	Действие
1	Щелкните значок «Двулучепреломление» на панели «Навигатор».
2	В диалоговом окне «Двулучепреломление» установите флажок «Вызвано возмущением, параметры ».Доступны записи «Фотоупругие константы».
3	В разделе «Фотоупругие постоянные» введите: Модуль Юнга 7750000000, C 3,44e-011, коэффициент Пуассона 0,164.
4	В разделе параметров «Вызвано возмущением» отметьте «Внешний», «Изгиб» и «Волокно, намотанное на катушку с натяжением».
5	Введите значение «Гибка» 0,12
6	Введите значение 0 для параметра «Волокно, намотанное на катушку с натяжением».5.
7	В разделе «Выход» введите «Спектральный диапазон» 0,4 и «Число шагов» 51.
8	Нажмите OK, чтобы закрыть диалоговое окно «Двулучепреломление»
9	Перейдите на вкладку просмотра «Двулучепреломление». На графике нанесены двулучепреломление и дифференциальная групповая задержка (DGD) в зависимости от длины волны.

Шаг	Действие
1	Щелкните значок «PMD» на панели «Навигатор».
2	Определите параметры для моделирования PMD: Fiber Length 1000, Coupling Length 20.Характеристики двулучепреломления предоставляются для вашей информации и отключены в этом диалоговом окне.
3	Выберите «Спектральное моделирование»: Spectral Range 0,1, Number of Steps 201.
4	Нажмите «ОК», чтобы закрыть диалоговое окно «Дисперсия режима поляризации» и начать моделирование.
5	Перейдите на вкладку графики «PMD». Для спектрального моделирования построены зависимости PMD первого и второго порядка от длины волны.(Для ансамблевого моделирования будет отображаться зависимость PMD первого порядка от количества прогонов).

Характеризуемый параметр	Расчетное значение	Типовое значение
Длина волны нулевой дисперсии, λ ₀	1,309 мкм	1,302 мкм <λ ₀ <1,322 мкм
Наклон нулевой дисперсии, S0	0,0856 пс / (нм ² * км)	<0,089ps / (нм ² * км)
Эфф. MFD на 1310 нм	8,9 мкм	9.20 ± 0,4 мкм
ЭФФ. MFD на 1550 нм	9,9 мкм	10,4 ± 0,5 мкм
Эффективный групповой индекс	1,4676	1,4675
Длина волны отсечки LP11	1,23 мкм	<1,260 мкм