Оптическое волокно , или оптическое волокно , представляет собой гибкое стеклянное или пластиковое волокно , которое может передавать свет [a] с одного конца на другой. Такие волокна широко используются в волоконно-оптической связи , где они позволяют осуществлять передачу на большие расстояния и с более высокой пропускной способностью (скоростью передачи данных), чем электрические кабели. Волокна используются вместо металлических проводов , поскольку сигналы проходят по ним с меньшими потерями и невосприимчивы к электромагнитным помехам . [1] Волокна также используются для освещения и визуализации, и часто сворачиваются в пучки, поэтому их можно использовать для переноса света в или изображений из замкнутых пространств, как в случае фиброскопа . [2] Специально разработанные волокна также используются для множества других приложений, таких как волоконно-оптические датчики и волоконные лазеры . [3]
Стеклянные оптические волокна обычно изготавливаются методом вытяжки , в то время как пластиковые волокна могут быть изготовлены либо методом вытяжки, либо методом экструзии . [4] [5] Оптические волокна обычно включают в себя сердцевину , окруженную прозрачным материалом оболочки с более низким показателем преломления . Свет удерживается в сердцевине за счет явления полного внутреннего отражения , которое заставляет волокно действовать как волновод . [6] Волокна, которые поддерживают множество путей распространения или поперечных мод, называются многомодовыми волокнами , в то время как те, которые поддерживают один мод, называются одномодовыми волокнами (SMF). [7] Многомодовые волокна обычно имеют более широкий диаметр сердцевины [8] и используются для линий связи на короткие расстояния и в приложениях, где необходимо передавать большую мощность. [9] Одномодовые волокна используются для большинства линий связи длиной более 1050 метров (3440 футов). [10]
Возможность соединения оптических волокон с низкими потерями важна для волоконно-оптической связи. [11] Это сложнее, чем соединение электрических проводов или кабелей, и включает в себя аккуратное расщепление волокон, точное выравнивание волоконных жил и соединение этих выровненных жил. Для приложений, требующих постоянного соединения, распространено плавление . В этой технике электрическая дуга используется для расплавления концов волокон вместе. Другой распространенной техникой является механическое соединение , при котором концы волокон удерживаются в контакте механической силой. Временные или полупостоянные соединения выполняются с помощью специализированных оптоволоконных соединителей . [12]
Область прикладной науки и техники, связанная с разработкой и применением оптических волокон, известна как волоконная оптика . Термин был придуман индийско-американским физиком Нариндером Сингхом Капани . [13]
,1884.JPG/1280px-DanielColladon's_Lightfountain_or_Lightpipe,LaNature(magazine),1884.JPG)
Даниэль Колладон и Жак Бабине впервые продемонстрировали направление света путем преломления, принцип, который делает возможным волоконную оптику, в Париже в начале 1840-х годов. [14] Джон Тиндаль включил демонстрацию этого в свои публичные лекции в Лондоне 12 лет спустя. [15] Тиндаль также писал о свойстве полного внутреннего отражения во вводной книге о природе света в 1870 году: [16] [17]
Когда свет переходит из воздуха в воду, преломленный луч отклоняется к перпендикуляру ... Когда луч переходит из воды в воздух, он отклоняется от перпендикуляра ... Если угол, который луч в воде образует с перпендикуляром к поверхности, больше 48 градусов, луч вообще не выйдет из воды: он полностью отразится от поверхности... Угол, который отмечает границу, где начинается полное отражение, называется предельным углом среды. Для воды этот угол равен 48°27′, для флинтгласа — 38°41′, а для алмаза — 23°42′.
В конце 19 века группа венских врачей направила свет через изогнутые стеклянные стержни, чтобы осветить полости тела. [18] Практические применения, такие как близкое внутреннее освещение во время стоматологии, последовали в начале двадцатого века. Передача изображения через трубки была продемонстрирована независимо радиоэкспериментатором Кларенсом Ханселлом и пионером телевидения Джоном Логи Бэрдом в 1920-х годах. В 1930-х годах Генрих Ламм показал, что можно передавать изображения через пучок неизолированных оптических волокон, и использовал его для внутренних медицинских осмотров, но его работа была в значительной степени забыта. [15] [19]
В 1953 году голландский ученый Брам ван Хель впервые продемонстрировал передачу изображения через пучки оптических волокон с прозрачной оболочкой. [19] Позже в том же году Гарольд Хопкинс и Нариндер Сингх Капани из Имперского колледжа в Лондоне преуспели в создании пучков, передающих изображение, с более чем 10 000 волокон, а затем добились передачи изображения через пучок длиной 75 см, который объединял несколько тысяч волокон. [19] [20] [21] Первый практический волоконно-оптический полугибкий гастроскоп был запатентован Бэзилом Хиршовицем , К. Уилбуром Питерсом и Лоуренсом Э. Кертисом, исследователями из Мичиганского университета , в 1956 году. В процессе разработки гастроскопа Кертис изготовил первые стеклянные волокна; предыдущие оптические волокна полагались на воздух или непрактичные масла и воски в качестве низкоиндексного материала оболочки. [19]
Капани придумал термин «волоконная оптика» после написания статьи в журнале Scientific American в 1960 году , которая представила эту тему широкой аудитории. Впоследствии он написал первую книгу о новой области. [19] [22]
Первая работающая волоконно-оптическая система передачи данных была продемонстрирована немецким физиком Манфредом Бёрнером в исследовательских лабораториях Telefunken в Ульме в 1965 году, за чем последовала первая заявка на патент на эту технологию в 1966 году. [23] [24] В 1968 году НАСА использовало волоконную оптику в телевизионных камерах, которые были отправлены на Луну. В то время использование в камерах было засекречено , и сотрудники, работающие с камерами, должны были находиться под надзором кого-то с соответствующим допуском к безопасности. [25]
Чарльз К. Као и Джордж А. Хокхэм из британской компании Standard Telephones and Cables (STC) были первыми, кто выдвинул идею о том, что затухание в оптических волокнах может быть снижено ниже 20 децибел на километр (дБ/км), что сделало волокна практичной средой связи в 1965 году. [26] Они предположили, что затухание в волокнах, доступных в то время, было вызвано примесями, которые можно было удалить, а не фундаментальными физическими эффектами, такими как рассеяние. Они правильно и систематически теоретизировали свойства потери света для оптического волокна и указали правильный материал для использования для таких волокон — кварцевое стекло высокой чистоты. Это открытие принесло Као Нобелевскую премию по физике в 2009 году. [27] Критический предел затухания в 20 дБ/км был впервые достигнут в 1970 году исследователями Робертом Д. Маурером , Дональдом Кеком , Питером К. Шульцем и Фрэнком Зимаром, работавшими на американскую стекольную компанию Corning Glass Works . [28] Они продемонстрировали волокно с затуханием 17 дБ/км, легировав кварцевое стекло титаном . Несколько лет спустя они изготовили волокно с затуханием всего 4 дБ/км, используя диоксид германия в качестве легирующей примеси в сердцевине. В 1981 году компания General Electric выпустила слитки плавленого кварца , которые можно было вытягивать в нити длиной 25 миль (40 км). [29]
Первоначально высококачественные оптические волокна могли производиться только со скоростью 2 метра в секунду. Инженер-химик Томас Менсах присоединился к Corning в 1983 году и увеличил скорость производства до более чем 50 метров в секунду, сделав оптоволоконные кабели дешевле традиционных медных. [30] [ самоизданный источник ] [31] [32] Эти инновации открыли эру оптоволоконной связи.
Итальянский исследовательский центр CSELT совместно с Corning работал над разработкой практичных оптоволоконных кабелей, в результате чего первый городской оптоволоконный кабель был проложен в Турине в 1977 году. [33] [34] CSELT также разработал раннюю технологию сращивания оптических волокон, называемую Springroove. [35]
Затухание в современных оптических кабелях намного меньше, чем в электрических медных кабелях, что приводит к дальним волоконным соединениям с повторителями на расстоянии 70–150 километров (43–93 мили). Две команды под руководством Дэвида Н. Пейна из Университета Саутгемптона и Эммануэля Десурвира из Bell Labs разработали усилитель на основе легированного эрбием волокна , который снизил стоимость дальних волоконных систем за счет сокращения или устранения опто-электро-оптических повторителей в 1986 и 1987 годах соответственно. [36] [37] [38]
Возникающая область фотонных кристаллов привела к разработке в 1991 году фотонно-кристаллического волокна , [39] которое направляет свет путем дифракции от периодической структуры, а не путем полного внутреннего отражения. Первые фотонно-кристаллические волокна стали коммерчески доступны в 2000 году. [40] Фотонно-кристаллические волокна могут переносить более высокую мощность, чем обычные волокна, и их зависящие от длины волны свойства можно изменять для улучшения производительности. Эти волокна могут иметь полые сердцевины. [41]
Оптическое волокно используется в качестве среды для телекоммуникаций и компьютерных сетей , поскольку оно гибкое и может быть свёрнуто в жгуты в виде кабелей. Оно особенно выгодно для дальней связи, поскольку инфракрасный свет распространяется по волокну с гораздо меньшим затуханием по сравнению с электричеством в электрических кабелях. Это позволяет покрывать большие расстояния с помощью небольшого количества повторителей .
10 или 40 Гбит/с типичны для развернутых систем. [42] [43]
Благодаря использованию мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM) каждое волокно может переносить множество независимых каналов, каждый из которых использует свою длину волны света. Чистая скорость передачи данных (скорость передачи данных без служебных байтов) на волокно — это скорость передачи данных на канал, уменьшенная на служебные данные прямой коррекции ошибок (FEC), умноженная на количество каналов (обычно до 80 в коммерческих плотных системах WDM по состоянию на 2008 год [обновлять]).
Для приложений на короткие расстояния, таких как сеть в офисном здании (см. оптоволокно в офис ), оптоволоконные кабели могут сэкономить место в кабельных каналах. Это связано с тем, что одно волокно может переносить гораздо больше данных, чем электрические кабели, такие как стандартный кабель категории 5 , который обычно работает на скорости 100 Мбит/с или 1 Гбит/с.
Оптоволокно часто используется также для соединений на короткие расстояния между устройствами. Например, большинство телевизоров высокой четкости предлагают цифровое аудио оптическое соединение. Это позволяет передавать потоковое аудио через свет, используя протокол S/PDIF через оптическое соединение TOSLINK .
Волокна имеют множество применений в дистанционном зондировании . В некоторых приложениях само волокно является датчиком (волокна передают оптический свет в обрабатывающее устройство, которое анализирует изменения в характеристиках света). В других случаях волокно используется для подключения датчика к измерительной системе.
Оптические волокна могут использоваться в качестве датчиков для измерения деформации , температуры , давления и других величин путем модификации волокна таким образом, чтобы измеряемое свойство модулировало интенсивность , фазу , поляризацию , длину волны или время прохождения света в волокне. Датчики, которые изменяют интенсивность света, являются самыми простыми, поскольку для них требуются только простой источник и детектор. Особенно полезной особенностью таких волоконно-оптических датчиков является то, что они могут, при необходимости, обеспечивать распределенное зондирование на расстоянии до одного метра. Распределенное акустическое зондирование является одним из примеров этого.
Напротив, высоколокализованные измерения могут быть обеспечены путем интеграции миниатюрных чувствительных элементов с кончиком волокна. [53] Они могут быть реализованы с помощью различных технологий микро- и нанопроизводства , так что они не выходят за микроскопическую границу кончика волокна, что позволяет использовать их в таких приложениях, как введение в кровеносные сосуды с помощью иглы для подкожных инъекций.
Внешние волоконно-оптические датчики используют оптоволоконный кабель , обычно многомодовый, для передачи модулированного света либо от неволоконного оптического датчика, либо от электронного датчика, подключенного к оптическому передатчику. Главным преимуществом внешних датчиков является их способность достигать иным образом недоступных мест. Примером является измерение температуры внутри реактивных двигателей путем использования волокна для передачи излучения в пирометр снаружи двигателя. Внешние датчики могут использоваться таким же образом для измерения внутренней температуры электрических трансформаторов , где присутствующие экстремальные электромагнитные поля делают невозможными другие методы измерения. Внешние датчики измеряют вибрацию, вращение, смещение, скорость, ускорение, крутящий момент и кручение. Была разработана твердотельная версия гироскопа, использующая интерференцию света. Волоконно-оптический гироскоп (FOG) не имеет движущихся частей и использует эффект Саньяка для обнаружения механического вращения.
Обычное применение волоконно-оптических датчиков включает в себя усовершенствованные системы безопасности обнаружения вторжений . Свет передается по волоконно-оптическому кабелю датчика, размещенному на заборе, трубопроводе или коммуникационном кабеле, а возвращаемый сигнал контролируется и анализируется на предмет помех. Этот возвращаемый сигнал подвергается цифровой обработке для обнаружения помех и срабатывания сигнализации в случае вторжения.
Оптические волокна широко используются в качестве компонентов оптических химических датчиков и оптических биодатчиков . [54]
Оптическое волокно может использоваться для передачи энергии с использованием фотоэлектрического элемента для преобразования света в электричество. [55] Хотя этот метод передачи энергии не так эффективен, как обычные, он особенно полезен в ситуациях, когда желательно не иметь металлического проводника, как в случае использования вблизи аппаратов МРТ, которые создают сильные магнитные поля. [56] Другие примеры — питание электроники в мощных антенных элементах и измерительных приборах, используемых в оборудовании для передачи высокого напряжения.
Оптические волокна используются в качестве световодов в медицинских и других приложениях, где яркий свет должен быть направлен на цель без четкой прямой видимости. Во многих микроскопах используются волоконно-оптические источники света для обеспечения интенсивного освещения изучаемых образцов.
Оптическое волокно также используется в оптике визуализации. Когерентный пучок волокон используется, иногда вместе с линзами, для длинного тонкого устройства визуализации, называемого эндоскопом , который используется для просмотра объектов через небольшое отверстие. Медицинские эндоскопы используются для минимально инвазивных исследовательских или хирургических процедур. Промышленные эндоскопы (см. фиброскоп или бороскоп ) используются для осмотра чего-либо труднодоступного, например, внутренних частей реактивных двигателей.
В некоторых зданиях оптоволокно направляет солнечный свет с крыши в другие части здания (см. невизуализирующая оптика ). Оптоволоконные лампы используются для освещения в декоративных целях, включая знаки , искусство , игрушки и искусственные рождественские елки . Оптоволокно является неотъемлемой частью светопропускающего бетонного строительного продукта LiTraCon .
Оптическое волокно также может использоваться для мониторинга состояния конструкций . Этот тип датчика может обнаруживать напряжения, которые могут иметь долгосрочное воздействие на конструкции . Он основан на принципе измерения аналогового затухания.
В спектроскопии оптоволоконные пучки передают свет от спектрометра к веществу, которое не может быть помещено внутрь самого спектрометра, чтобы проанализировать его состав. Спектрометр анализирует вещества, отражая свет от них и через них. Используя волокна, спектрометр может использоваться для изучения объектов на расстоянии. [57] [58] [59]
Оптическое волокно, легированное определенными редкоземельными элементами , такими как эрбий, может использоваться в качестве усиливающей среды волоконного лазера или оптического усилителя . Оптические волокна, легированные редкоземельными элементами, могут использоваться для усиления сигнала путем сращивания короткого отрезка легированного волокна в обычную (нелегированную) оптоволоконную линию. Легированное волокно оптически накачивается второй длиной волны лазера, которая связана с линией в дополнение к сигнальной волне. Обе длины волны света передаются через легированное волокно, которое передает энергию от второй длины волны накачки к сигнальной волне. Процесс, который вызывает усиление, называется вынужденным излучением .
Оптическое волокно также широко используется в качестве нелинейной среды. Стеклянная среда поддерживает множество нелинейных оптических взаимодействий, а большие длины взаимодействия, возможные в волокне, способствуют разнообразным явлениям, которые используются для приложений и фундаментальных исследований. [60] И наоборот, нелинейность волокна может оказывать пагубное воздействие на оптические сигналы, и часто требуются меры для минимизации таких нежелательных эффектов.
Оптические волокна, легированные сдвигом длины волны, собирают мерцающий свет в физических экспериментах .
В оптоволоконных прицелах для пистолетов, винтовок и ружей используются отрезки оптического волокна для улучшения видимости маркировки на прицеле.
Оптическое волокно представляет собой цилиндрический диэлектрический волновод ( непроводящий волновод), который передает свет вдоль своей оси посредством процесса полного внутреннего отражения. Волокно состоит из сердцевины , окруженной слоем оболочки , оба из которых изготовлены из диэлектрических материалов. [61] Чтобы ограничить оптический сигнал в сердцевине, показатель преломления сердцевины должен быть больше, чем у оболочки. Граница между сердцевиной и оболочкой может быть либо резкой, в волокне со ступенчатым показателем преломления , либо постепенной, в волокне с градиентным показателем преломления . Свет может подаваться в оптические волокна с помощью лазеров или светодиодов .
Волокно невосприимчиво к электрическим помехам, поскольку нет перекрестных помех между сигналами в разных кабелях и нет улавливания окружающего шума. Информация, передаваемая внутри оптического волокна, даже невосприимчива к электромагнитным импульсам , генерируемым ядерными устройствами. [b] [ необходима цитата ]
Волоконно-оптические кабели не проводят электричество, что делает их полезными для защиты коммуникационного оборудования в условиях высокого напряжения , например, на электростанциях или в приложениях, подверженных ударам молний . Электрическая изоляция также предотвращает проблемы с контурами заземления . Поскольку в оптических кабелях нет электричества, которое может потенциально генерировать искры, их можно использовать в средах, где присутствуют взрывоопасные пары. Прослушивание (в данном случае, прослушивание волокон ) сложнее по сравнению с электрическими соединениями.
Волоконно-оптические кабели не являются целью кражи металла . Напротив, медные кабельные системы используют большое количество меди и стали целью с момента бума сырьевых товаров в 2000-х годах .
Показатель преломления — это способ измерения скорости света в материале. Свет распространяется быстрее всего в вакууме , например, в открытом космосе. Скорость света в вакууме составляет около 300 000 километров (186 000 миль) в секунду. Показатель преломления среды рассчитывается путем деления скорости света в вакууме на скорость света в этой среде. Таким образом, показатель преломления вакуума по определению равен 1. Типичное одномодовое волокно, используемое для телекоммуникаций, имеет оболочку из чистого кремния с показателем 1,444 при 1500 нм и сердцевину из легированного кремния с показателем около 1,4475. [61] Чем больше показатель преломления, тем медленнее свет распространяется в этой среде. Из этой информации вытекает простое эмпирическое правило: сигнал, использующий оптоволокно для связи, будет распространяться со скоростью около 200 000 километров в секунду. Таким образом, телефонный звонок, осуществляемый по оптоволокну между Сиднеем и Нью-Йорком на расстоянии 16 000 километров, означает, что существует минимальная задержка в 80 миллисекунд (около секунды) между тем, когда один звонящий говорит, и тем, когда другой слышит. [c]
Когда свет, распространяющийся в оптически плотной среде, попадает на границу под крутым углом падения (больше критического угла для границы), свет полностью отражается. Это называется полным внутренним отражением . Этот эффект используется в оптических волокнах для ограничения света в сердцевине. Большинство современных оптических волокон являются слабонаправляющими , что означает, что разница в показателе преломления между сердцевиной и оболочкой очень мала (обычно менее 1%). [62] Свет проходит через сердцевину волокна, отражаясь взад и вперед от границы между сердцевиной и оболочкой.
Поскольку свет должен падать на границу под углом, большим критического угла, только свет, который входит в волокно в определенном диапазоне углов, может пройти по волокну без утечки. Этот диапазон углов называется приемным конусом волокна. Существует максимальный угол от оси волокна, под которым свет может войти в волокно, чтобы он распространялся или перемещался в сердцевине волокна. Синус этого максимального угла является числовой апертурой (NA) волокна. Волокно с большей NA требует меньшей точности для сращивания и работы, чем волокно с меньшей NA. Размер этого приемного конуса является функцией разницы показателей преломления между сердцевиной волокна и оболочкой. Одномодовое волокно имеет малую NA.
Волокно с большим диаметром сердцевины (более 10 микрометров) может быть проанализировано с помощью геометрической оптики . Такое волокно называется многомодовым волокном из электромагнитного анализа (см. ниже). В многомодовом волокне со ступенчатым показателем преломления лучи света направляются вдоль сердцевины волокна за счет полного внутреннего отражения. Лучи, которые встречаются с границей сердцевины и оболочки под углом (измеренным относительно линии, перпендикулярной границе), большим критического угла для этой границы, полностью отражаются. Критический угол определяется разницей в показателе преломления между материалами сердцевины и оболочки. Лучи, которые встречаются с границей под малым углом, преломляются от сердцевины в оболочку, где они заканчиваются. Критический угол определяет угол приема волокна, часто называемый числовой апертурой . Высокая числовая апертура позволяет свету распространяться по волокну лучами как близко к оси, так и под разными углами, что позволяет эффективно связывать свет с волокном. Однако такая высокая числовая апертура увеличивает величину дисперсии , поскольку лучи под разными углами имеют разную длину пути и, следовательно, требуют разного времени для прохождения волокна.
В волокне с градиентным показателем преломления показатель преломления в сердцевине непрерывно уменьшается между осью и оболочкой. Это заставляет световые лучи плавно изгибаться по мере приближения к оболочке, а не отражаться резко от границы сердцевина-оболочка. Получающиеся изогнутые пути уменьшают многолучевую дисперсию, поскольку лучи под большим углом проходят больше через периферию сердцевины с низким показателем преломления, а не через центр с высоким показателем преломления. Профиль показателя преломления выбирается так, чтобы минимизировать разницу в скоростях осевого распространения различных лучей в волокне. Этот идеальный профиль показателя преломления очень близок к параболической зависимости между показателем преломления и расстоянием от оси. [ необходима цитата ]
Волокно с диаметром сердцевины менее чем в десять раз больше длины волны распространяющегося света не может быть смоделировано с помощью геометрической оптики. Вместо этого его необходимо проанализировать как структуру электромагнитного волновода в соответствии с уравнениями Максвелла , сведенными к уравнению электромагнитной волны . [d] Как оптический волновод, волокно поддерживает одну или несколько ограниченных поперечных мод , с помощью которых свет может распространяться вдоль волокна. Волокно, поддерживающее только одну моду, называется одномодовым . [e] Анализ волновода показывает, что световая энергия в волокне не полностью ограничена сердцевиной. Вместо этого, особенно в одномодовых волокнах, значительная часть энергии в связанной моде перемещается в оболочке в виде затухающей волны . Наиболее распространенный тип одномодового волокна имеет диаметр сердцевины 8–10 микрометров и предназначен для использования в ближнем инфракрасном диапазоне . Многомодовое волокно, для сравнения, изготавливается с диаметром сердцевины от 50 микрометров до сотен микрометров.
Некоторые специальные оптические волокна сконструированы с нецилиндрическим сердечником или оболочкой, обычно с эллиптическим или прямоугольным поперечным сечением. К ним относятся сохраняющее поляризацию волокно, используемое в волоконно-оптических датчиках, и волокно, предназначенное для подавления распространения моды шепчущей галереи .
Фотонно-кристаллическое волокно изготавливается с регулярным рисунком изменения показателя преломления (часто в форме цилиндрических отверстий, расположенных вдоль длины волокна). Такое волокно использует эффекты дифракции вместо или в дополнение к полному внутреннему отражению, чтобы ограничить свет сердцевиной волокна. Свойства волокна могут быть адаптированы для широкого спектра применений.
Затухание в волоконной оптике, также известное как потеря передачи, представляет собой уменьшение интенсивности светового сигнала по мере его прохождения через среду передачи. Коэффициенты затухания в волоконной оптике обычно выражаются в единицах дБ/км. Средой обычно является волокно из кварцевого стекла [f], которое ограничивает падающий световой луч внутри. Затухание является важным фактором, ограничивающим передачу цифрового сигнала на большие расстояния. Таким образом, много исследований было направлено как на ограничение затухания, так и на максимизацию усиления оптического сигнала. Уменьшение затухания кварцевых оптических волокон на четыре порядка за четыре десятилетия стало результатом постоянного совершенствования производственных процессов, чистоты сырья, преформ и конструкций волокон, что позволило этим волокнам приблизиться к теоретическому нижнему пределу затухания. [63]
Одномодовые оптические волокна могут быть изготовлены с чрезвычайно низкими потерями. Волокно Vascade® EX2500 от Corning, одномодовое волокно с низкими потерями для телекоммуникационных длин волн, имеет номинальное затухание 0,148 дБ/км на 1550 нм. [64] Длина такого волокна 10 км передает почти 71% оптической энергии на 1550 нм.
Затухание в оптическом волокне в первую очередь вызвано как рассеянием , так и поглощением . В волокнах на основе фторидных стекол, таких как ZBLAN, минимальное затухание ограничено поглощением примесями. Подавляющее большинство оптических волокон основано на кварцевом стекле, где поглощение примесями незначительно. В кварцевых волокнах затухание определяется внутренними механизмами: рэлеевским рассеянием в стеклах, через которые распространяется свет, и инфракрасным поглощением в тех же стеклах. Поглощение в кремнии резко увеличивается на длинах волн выше 1570 нм. На длинах волн, наиболее полезных для телекоммуникаций, рэлеевское рассеяние является доминирующим механизмом потерь. На длине волны 1550 нм компоненты затухания для рекордно низкого волокна приведены ниже: потери на рэлеевское рассеяние: 0,1200 дБ/км, потери на поглощение инфракрасного излучения: 0,0150 дБ/км, потери на поглощение примесями: 0,0047 дБ/км, потери из-за несовершенства волновода: 0,0010 дБ/км.
Распространение света через сердцевину оптического волокна основано на полном внутреннем отражении световой волны, в терминах геометрической оптики, или направленных модах, в терминах электромагнитного волновода. В типичном одномодовом оптическом волокне около 75% света распространяется через материал сердцевины, имеющий более высокий показатель преломления, и около 25% света распространяется через оболочку, имеющую более низкий показатель преломления. Интерфейс между сердцевиной и оболочкой стекол исключительно гладкий и не приводит к значительным потерям на рассеяние или потерям из-за несовершенства волновода. Потери на рассеяние возникают в основном из-за рэлеевского рассеяния в объеме стекол, составляющих сердцевину и оболочку волокна.
Рассеивание света в оптическом качественном стеклянном волокне вызвано молекулярными нарушениями (композиционными флуктуациями) в структуре стекла. Действительно, одна из новых школ мысли заключается в том, что стекло — это просто предельный случай поликристаллического твердого тела. В рамках этой структуры домены , демонстрирующие различные степени ближнего порядка, становятся строительными блоками металлов, а также стекол и керамики. Распределенные как между этими доменами, так и внутри них микроструктурные дефекты обеспечивают наиболее идеальные места для рассеяния света.
Рассеяние зависит от длины волны рассеиваемого света и размера центров рассеяния. Угловая зависимость интенсивности света, рассеянного оптическим волокном, совпала с зависимостью рэлеевского рассеяния, что указывает на то, что центры рассеяния намного меньше длины волны распространяющегося света. Она возникает из-за флуктуаций плотности, вызванных фиктивной температурой стекла, и из-за флуктуаций концентрации легирующих примесей как в сердцевине, так и в оболочке. Коэффициент рэлеевского рассеяния, R , можно представить как: где R d представляет собой рэлеевское рассеяние на флуктуациях плотности, а R c представляет собой рэлеевское рассеяние на флуктуациях концентрации легирующих примесей. Легирующие примеси, такие как диоксид германия или фтор, используются для создания разности показателей преломления между сердцевиной и оболочкой, чтобы сформировать волноводную структуру. где λ — длина волны, n — показатель преломления , p — фотоупругий коэффициент, β c — изотермическая сжимаемость, k B — постоянная Больцмана , T f — фиктивная температура. Единственной физически значимой переменной, влияющей на рассеяние при флуктуациях плотности, является фиктивная температура стекла, более низкая фиктивная температура приводит к более однородному стеклу и меньшему рэлеевскому рассеянию. Фиктивная температура может быть значительно снижена примерно за счет 100 вес. ppm легирующей примеси щелочного оксида в сердцевине волокна, а также более медленного охлаждения волокна в процессе вытяжки волокна. Эти подходы используются для производства оптических волокон с наименьшим затуханием, особенно для подводных телекоммуникационных кабелей.
Для малых концентраций легирующей примеси R c пропорционально x (d n /d x ) 2 , где x - мольная доля легирующей примеси в стекле на основе SiO 2 , а n - показатель преломления стекла. Когда легирующая примесь GeO 2 используется для увеличения показателя преломления сердцевины волокна, она увеличивает компонент флуктуации концентрации рэлеевского рассеяния и затухание волокна. Вот почему волокна с самым низким затуханием не используют GeO 2 в сердцевине, а используют фтор в оболочке для уменьшения показателя преломления оболочки. R c в волокне с сердцевиной из чистого кварца пропорционально интегралу перекрытия между модой LP01 и компонентом флуктуации концентрации, вызванной фтором в оболочке.
В сердцевине легированного калием чистого кварцевого волокна (KPSC) существенную роль играют только флуктуации плотности, поскольку концентрации K2O , фтора и хлора очень низки. Флуктуации плотности в сердцевине смягчаются более низкой фиктивной температурой, возникающей в результате легирования калием, и дополнительно уменьшаются отжигом в процессе вытяжки волокна. Это отличается от оболочки, где более высокие уровни легирования фтором и возникающие в результате флуктуации концентрации увеличивают потери. В таких волокнах свет, проходящий через сердцевину, испытывает меньшее рассеивание и меньшее затухание по сравнению со светом, распространяющимся через сегмент оболочки волокна.
При высоких оптических мощностях рассеяние может быть также вызвано нелинейными оптическими процессами в волокне. [65] [66]
Помимо рассеяния света, затухание или потеря сигнала могут также происходить из-за селективного поглощения определенных длин волн. Основные материальные соображения включают как электроны, так и молекулы следующим образом:
Конструкция любого оптически прозрачного устройства требует выбора материалов на основе знания его свойств и ограничений. Характеристики поглощения кристаллической структуры , наблюдаемые в областях низких частот (диапазон длин волн от среднего до дальнего ИК-диапазона), определяют предел длинноволновой прозрачности материала. Они являются результатом интерактивной связи между движениями термически индуцированных колебаний составляющих атомов и молекул твердой решетки и падающим световым излучением. Следовательно, все материалы ограничены предельными областями поглощения, вызванными атомными и молекулярными колебаниями (растяжение связей) в дальнем инфракрасном диапазоне (>10 мкм).
Другими словами, избирательное поглощение ИК-света определенным материалом происходит потому, что выбранная частота световой волны совпадает с частотой (или целым кратным частоты, т.е. гармоникой ), на которой вибрируют частицы этого материала. Поскольку разные атомы и молекулы имеют разные собственные частоты колебаний, они будут избирательно поглощать разные частоты (или части спектра) ИК-света.
Отражение и передача световых волн происходят из-за того, что частоты световых волн не совпадают с собственными резонансными частотами вибрации объектов. Когда ИК-свет этих частот падает на объект, энергия либо отражается, либо передается.
Затухание на протяжении кабельной трассы значительно увеличивается за счет включения разъемов и сращиваний. При расчете приемлемого затухания (бюджета потерь) между передатчиком и приемником учитывают:
Соединители обычно вносят 0,3 дБ на соединитель на хорошо отполированных соединителях. Сращивания обычно вносят менее 0,2 дБ на сращивание. [ необходима цитата ]
Общий убыток можно рассчитать по формуле:
где потеря дБ на километр является функцией типа волокна и может быть найдена в спецификациях производителя. Например, типичное одномодовое волокно 1550 нм имеет потерю 0,3 дБ на километр. [ необходима цитата ]
Рассчитанный бюджет потерь используется при тестировании для подтверждения того, что измеренные потери находятся в пределах нормальных рабочих параметров.
Стеклянные оптические волокна почти всегда изготавливаются из кремния , но некоторые другие материалы, такие как фтороцирконат , фтороалюминат и халькогенидные стекла , а также кристаллические материалы, такие как сапфир , используются для более длинноволнового инфракрасного или других специализированных применений. Кремниевые и фторидные стекла обычно имеют показатели преломления около 1,5, но некоторые материалы, такие как халькогениды, могут иметь показатели до 3. Обычно разница показателей между сердцевиной и оболочкой составляет менее одного процента.
Пластиковые оптические волокна (POF) обычно представляют собой многомодовые волокна со ступенчатым показателем преломления и диаметром сердцевины 0,5 миллиметра или больше. POF обычно имеют более высокие коэффициенты затухания, чем стеклянные волокна, 1 дБ/м или выше, и это высокое затухание ограничивает диапазон систем на основе POF.
Кремний демонстрирует довольно хорошую оптическую передачу в широком диапазоне длин волн. В ближней инфракрасной (ближней ИК) части спектра, особенно около 1,5 мкм, кремний может иметь чрезвычайно низкие потери поглощения и рассеивания порядка 0,2 дБ/км. Такие низкие потери зависят от использования сверхчистого кремния. Высокая прозрачность в области 1,4 мкм достигается за счет поддержания низкой концентрации гидроксильных групп (ОН). С другой стороны, высокая концентрация ОН лучше для передачи в ультрафиолетовой (УФ) области. [67]
Кремний может быть вытянут в волокна при достаточно высоких температурах и имеет довольно широкий диапазон превращения стекла . Еще одним преимуществом является то, что сращивание и расщепление волокон кремния является относительно эффективным. Волокно кремния также имеет высокую механическую прочность как на вытягивание, так и на изгиб, при условии, что волокно не слишком толстое и что поверхности были хорошо подготовлены во время обработки. Даже простое расщепление концов волокна может обеспечить получение красиво плоских поверхностей с приемлемым оптическим качеством. Кремний также относительно химически инертен . В частности, он не гигроскопичен (не впитывает воду).
Кремниевое стекло может быть легировано различными материалами. Одной из целей легирования является повышение показателя преломления (например, диоксидом германия (GeO 2 ) или оксидом алюминия (Al 2 O 3 )) или его понижение (например , фтором или триоксидом бора (B 2 O 3 )). Легирование также возможно с помощью лазерно-активных ионов (например, легированные редкоземельными элементами волокна) для получения активных волокон, которые будут использоваться, например, в волоконных усилителях или лазерных приложениях. Как сердцевина волокна, так и оболочка обычно легируются, так что вся сборка (сердцевина и оболочка) фактически представляет собой одно и то же соединение (например, алюмосиликатное , германосиликатное, фосфоросиликатное или боросиликатное стекло ).
В частности, для активных волокон чистый кремний обычно не является подходящим стеклом-хозяином, поскольку он демонстрирует низкую растворимость для редкоземельных ионов. Это может привести к эффектам гашения из-за кластеризации легирующих ионов. Алюмосиликаты гораздо более эффективны в этом отношении.
Кремниевое волокно также демонстрирует высокий порог оптического повреждения. Это свойство обеспечивает низкую тенденцию к лазерно-индуцированному пробою. Это важно для волоконных усилителей, когда они используются для усиления коротких импульсов.
Благодаря этим свойствам кварцевые волокна являются предпочтительным материалом во многих оптических приложениях, таких как связь (за исключением очень коротких расстояний с пластиковым оптическим волокном), волоконные лазеры, волоконные усилители и волоконно-оптические датчики. Большие усилия, приложенные для разработки различных типов кварцевых волокон, еще больше повысили производительность таких волокон по сравнению с другими материалами. [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75]
Фторидное стекло — это класс неоксидных стекол оптического качества, состоящих из фторидов различных металлов . Из-за низкой вязкости этих стекол очень сложно полностью избежать кристаллизации при их обработке через стеклование (или вытягивании волокна из расплава). Таким образом, хотя стекла на основе фторида тяжелых металлов (HMFG) демонстрируют очень низкое оптическое затухание, они не только сложны в производстве, но и довольно хрупкие и имеют плохую устойчивость к влаге и другим воздействиям окружающей среды. Их лучшим свойством является то, что у них отсутствует полоса поглощения, связанная с гидроксильной (ОН) группой (3200–3600 см −1 ; т. е. 2777–3125 нм или 2,78–3,13 мкм), которая присутствует почти во всех стеклах на основе оксидов. Такие низкие потери никогда не были реализованы на практике, а хрупкость и высокая стоимость фторидных волокон сделали их неидеальными в качестве основных кандидатов.
Фтористые волокна используются в спектроскопии среднего ИК-диапазона , волоконно-оптических датчиках , термометрии и визуализации . Фтористые волокна могут использоваться для направленной передачи световых волн в таких средах, как лазеры YAG ( иттрий-алюминиевый гранат ) на 2,9 мкм, как требуется для медицинских применений (например, офтальмологии и стоматологии ). [76] [77]
Примером стекла на основе фторида тяжелых металлов является группа стекол ZBLAN , состоящая из фторидов циркония , бария , лантана , алюминия и натрия . Их основное технологическое применение — оптические волноводы как в планарной, так и в волоконной форме. Они особенно выгодны в среднем инфракрасном диапазоне (2000–5000 нм).
Фосфатное стекло — это класс оптических стекол, состоящих из метафосфатов различных металлов. Вместо тетраэдров SiO 4 , наблюдаемых в силикатных стеклах, строительным блоком для этого стекла является пентоксид фосфора (P 2 O 5 ), который кристаллизуется по крайней мере в четырех различных формах. Наиболее известным полиморфом является структура, похожая на клетку, P 4 O 10 .
Фосфатные стекла могут быть выгоднее кварцевых стекол для оптических волокон с высокой концентрацией легирующих редкоземельных ионов. Смесь фторидного стекла и фосфатного стекла — это фторфосфатное стекло. [78] [79]
Халькогены — элементы 16-й группы периодической таблицы — в частности, сера (S), селен (Se) и теллур (Te) — реагируют с более электроположительными элементами, такими как серебро , образуя халькогениды . Это чрезвычайно универсальные соединения, поскольку они могут быть кристаллическими или аморфными, металлическими или полупроводниковыми, а также проводниками ионов или электронов . Халькогенидное стекло можно использовать для изготовления волокон для передачи в дальнем инфракрасном диапазоне. [80]
Стандартные оптические волокна изготавливаются путем создания заготовки большого диаметра с тщательно контролируемым профилем показателя преломления, а затем вытягивания заготовки для формирования длинного тонкого оптического волокна. Заготовка обычно изготавливается тремя методами химического осаждения из паровой фазы : внутреннее осаждение из паровой фазы , внешнее осаждение из паровой фазы и аксиальное осаждение из паровой фазы . [81]
При внутреннем осаждении из паровой фазы заготовка начинается как полая стеклянная трубка длиной около 40 сантиметров (16 дюймов), которая размещается горизонтально и медленно вращается на токарном станке . Газы, такие как тетрахлорид кремния (SiCl 4 ) или тетрахлорид германия (GeCl 4 ), впрыскиваются с кислородом в конец трубки. Затем газы нагреваются с помощью внешней водородной горелки, доводя температуру газа до 1900 К (1600 °C, 3000 °F), где тетрахлориды реагируют с кислородом, образуя частицы диоксида кремния или германия . Когда условия реакции выбираются таким образом, чтобы эта реакция происходила в газовой фазе по всему объему трубки, в отличие от более ранних методов, где реакция происходила только на поверхности стекла, этот метод называется модифицированным химическим осаждением из паровой фазы .
Затем частицы оксида агломерируются, образуя большие цепочки частиц, которые впоследствии осаждаются на стенках трубки в виде сажи. Осаждение происходит из-за большой разницы температур между газовым ядром и стенкой, заставляя газ выталкивать частицы наружу в процессе, известном как термофорез . Затем горелка перемещается вверх и вниз по длине трубки, чтобы равномерно осадить материал. После того, как горелка достигла конца трубки, ее затем возвращают в начало трубки, и осажденные частицы затем расплавляются, образуя твердый слой. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет осаждено достаточное количество материала. Для каждого слоя состав можно изменять, изменяя состав газа, что приводит к точному контролю оптических свойств готового волокна.
При внешнем осаждении из паровой фазы или аксиальном осаждении из паровой фазы стекло образуется путем пламенного гидролиза , реакции, в которой тетрахлорид кремния и тетрахлорид германия окисляются посредством реакции с водой в кислородно-водородном пламени. При внешнем осаждении из паровой фазы стекло осаждается на твердый стержень, который удаляется перед дальнейшей обработкой. При аксиальном осаждении из паровой фазы используется короткий затравочный стержень , а на его конце наращивается пористая заготовка, длина которой не ограничена размером исходного стержня. Пористая заготовка консолидируется в прозрачную твердую заготовку путем нагревания примерно до 1800 К (1500 °C, 2800 °F).
Типичное волокно связи использует круглую заготовку. Для некоторых приложений, таких как волокна с двойной оболочкой , предпочтительна другая форма. [82] В волоконных лазерах на основе волокна с двойной оболочкой асимметричная форма улучшает коэффициент заполнения для лазерной накачки .
Из-за поверхностного натяжения форма сглаживается в процессе вытяжки, и форма полученного волокна не воспроизводит острые края заготовки. Тем не менее, тщательная полировка заготовки важна, так как любые дефекты поверхности заготовки влияют на оптические и механические свойства полученного волокна.
Преформа, независимо от конструкции, помещается в устройство, известное как вытяжная башня , где кончик преформы нагревается, а оптическое волокно вытягивается в виде струны. Натяжение волокна можно контролировать, чтобы поддерживать желаемую толщину волокна.
Свет направляется вниз по сердечнику волокна через оптическую оболочку с более низким показателем преломления, которая удерживает свет в сердечнике посредством полного внутреннего отражения. Для некоторых типов волокна оболочка сделана из стекла и вытягивается вместе с сердечником из заготовки с радиально изменяющимся показателем преломления. Для других типов волокна оболочка сделана из пластика и наносится как покрытие (см. ниже).
Оболочка покрыта буфером (не путать с настоящей буферной трубкой), который защищает ее от влаги и физических повреждений. [69] Эти покрытия представляют собой УФ-отверждаемые уретановые акрилатные композитные или полиимидные материалы, наносимые на внешнюю сторону волокна в процессе вытяжки. Покрытия защищают очень тонкие нити стекловолокна — размером с человеческий волос — и позволяют ему выдерживать суровые условия производства, контрольных испытаний, прокладки кабелей и установки. Буферное покрытие необходимо снять с волокна для завершения или сращивания.
Современные процессы вытяжки стекловолокна используют двухслойный подход покрытия. Внутреннее первичное покрытие предназначено для того, чтобы действовать как амортизатор для минимизации затухания, вызванного микроизгибом . Внешнее вторичное покрытие защищает первичное покрытие от механических повреждений и действует как барьер для боковых сил, и может быть окрашено для различения жил в жгутовых кабельных конструкциях. Эти слои покрытия оптоволокна наносятся во время вытяжки волокна со скоростью, приближающейся к 100 километрам в час (60 миль в час). Покрытия оптоволокна наносятся одним из двух методов: мокрый по сухому и мокрый по мокрому . При мокром по сухому волокно проходит через первичное нанесение покрытия, которое затем отверждается УФ-излучением, затем через вторичное нанесение покрытия, которое затем отверждается. При мокром по мокрому волокно проходит как через первичное, так и через вторичное нанесение покрытия, затем отправляется на УФ-отверждение. [ необходима цитата ]
Толщина покрытия учитывается при расчете напряжения, которое испытывает волокно при различных конфигурациях изгиба. [83] Когда покрытое волокно наматывается на оправку, напряжение, испытываемое волокном, определяется по формуле [83] : 45 , где E — модуль Юнга волокна , d m — диаметр оправки, d f — диаметр оболочки, а d c — диаметр покрытия.
В конфигурации двухточечного изгиба покрытое волокно изгибается в форме буквы U и помещается между канавками двух лицевых пластин, которые сводятся вместе до тех пор, пока волокно не разорвется. Напряжение в волокне в этой конфигурации определяется по формуле [83] : 47 , где d — расстояние между лицевыми пластинами. Коэффициент 1,198 — геометрическая константа, связанная с этой конфигурацией.
Покрытия оптоволокна защищают стекловолокно от царапин, которые могут привести к снижению прочности. Сочетание влаги и царапин ускоряет старение и снижение прочности волокна. Когда волокно подвергается низким нагрузкам в течение длительного периода, может возникнуть усталость волокна. Со временем или в экстремальных условиях эти факторы объединяются, вызывая распространение микроскопических дефектов в стекловолокне, что в конечном итоге может привести к выходу волокна из строя.
Три ключевые характеристики оптоволоконных волноводов могут зависеть от условий окружающей среды: прочность, затухание и устойчивость к потерям, вызванным микроизгибами. Внешние оболочки оптоволоконного кабеля и буферные трубки защищают стеклянное оптоволокно от условий окружающей среды, которые могут повлиять на производительность и долговечность волокна. Внутри покрытия обеспечивают надежность передаваемого сигнала и помогают минимизировать затухание из-за микроизгибов.
В практических волокнах оболочка обычно покрыта прочной смолой и имеет дополнительный буферный слой, который может быть дополнительно окружен слоем оболочки , обычно пластиковым. Эти слои добавляют прочность волокну, но не влияют на его оптические свойства. Жесткие волоконные сборки иногда помещают светопоглощающее стекло между волокнами, чтобы предотвратить проникновение света, который просачивается из одного волокна, в другое. Это уменьшает перекрестные помехи между волокнами или уменьшает блики в приложениях визуализации пучков волокон. [84] [85] Многоволоконный кабель обычно использует цветные буферы для идентификации каждой нити.
Современные кабели выпускаются в самых разных оболочках и бронях, предназначенных для таких применений, как прямая прокладка в траншеях, изоляция высокого напряжения, двойное использование в качестве линий электропередачи, [86] [ проверка не пройдена ] прокладка в кабелепроводе, крепление к воздушным телефонным столбам, прокладка под водой и прокладка по асфальтированным улицам.
Некоторые версии оптоволоконного кабеля армированы арамидными нитями или стеклянными нитями в качестве промежуточного элемента прочности. С коммерческой точки зрения использование стеклянных нитей более экономически эффективно без потери механической прочности. Стеклянные нити также защищают сердечник кабеля от грызунов и термитов.
Волоконно-оптический кабель может быть очень гибким, но потери традиционного волокна значительно увеличиваются, если волокно сгибается с радиусом менее 30 мм. Это создает проблему, когда кабель сгибается вокруг углов. Сгибаемые волокна , предназначенные для более легкой установки в домашних условиях, были стандартизированы как ITU-T G.657 . Этот тип волокна можно сгибать с радиусом всего 7,5 мм без неблагоприятного воздействия. Были разработаны еще более сгибаемые волокна. [87] Сгибаемое волокно также может быть устойчивым к взлому волокна, при котором сигнал в волокне скрытно контролируется путем сгибания волокна и обнаружения утечки. [88]
Еще одной важной характеристикой кабеля является его способность выдерживать натяжение, которая определяет, какое усилие можно приложить к кабелю во время монтажа.
Оптические волокна подключаются к терминальному оборудованию с помощью оптоволоконных разъемов . Эти разъемы обычно стандартного типа, такие как FC , SC , ST , LC , MTRJ , MPO или SMA . Оптические волокна могут быть подключены с помощью разъемов, как правило, на коммутационной панели , или постоянно путем сращивания , то есть соединения двух волокон вместе для формирования непрерывного оптического волновода. Общепринятым методом сращивания является сращивание сплавлением , при котором концы волокон сплавляются вместе. Для более быстрого крепления используется механическое сращивание . Все методы сращивания включают установку корпуса, который защищает сращивание.
Сварка методом сплавления выполняется с помощью специального инструмента. Сначала концы волокон очищаются от защитного полимерного покрытия (а также более прочной внешней оболочки, если она имеется). Концы скалываются прецизионным скалывателем, чтобы сделать их перпендикулярными, и помещаются в специальные держатели в сварочном аппарате. Сварку обычно осматривают с помощью увеличенного экрана для проверки сколов до и сплавления после сращивания. Сварочный аппарат использует небольшие двигатели для выравнивания торцевых поверхностей вместе и испускает небольшую искру между электродами в зазоре, чтобы сжечь пыль и влагу. Затем сварочный аппарат генерирует большую искру, которая повышает температуру выше точки плавления стекла, окончательно сплавляя концы. Местоположение и энергия искры тщательно контролируются, чтобы расплавленное ядро и оболочка не смешивались, и это минимизирует оптические потери. Оценка потерь в месте сращивания измеряется сплайсером путем направления света через оболочку с одной стороны и измерения утечки света из оболочки с другой стороны. Типичным является потеря в месте сращивания менее 0,1 дБ. Сложность этого процесса делает сращивание волокон намного более трудным, чем сращивание медных проводов.
Механические соединения волокон разработаны для более быстрой и легкой установки, но все еще существует необходимость в зачистке, тщательной очистке и точном скалывании. Концы волокон выравниваются и удерживаются вместе прецизионной муфтой, часто с использованием прозрачного геля для согласования индексов , который улучшает передачу света через соединение. Механические соединения обычно имеют более высокие оптические потери и менее прочны, чем соединения сплавлением, особенно если используется гель.
Волокна заканчиваются в разъемах, которые точно и надежно удерживают конец волокна. Оптоволоконный разъем представляет собой жесткий цилиндрический ствол, окруженный муфтой, которая удерживает ствол в сопрягаемом гнезде. Механизм соединения может быть нажат и защелкнут , повернут и защелкнут ( байонетное крепление ) или ввинчен ( резьбовое ). Ствол обычно свободно перемещается внутри муфты и может иметь ключ, который предотвращает вращение ствола и волокна при сопряжении разъемов.
Типичный разъем устанавливается путем подготовки конца волокна и вставки его в заднюю часть корпуса разъема. Для надежной фиксации волокна обычно используется быстросхватывающийся клей, а сзади закрепляется компенсатор натяжения . После того, как клей застынет, конец волокна полируется. В зависимости от типа волокна и области применения используются различные профили полировки. Результирующая потеря мощности сигнала называется потерей зазора . Для одномодового волокна концы волокна обычно полируются с небольшой кривизной, которая заставляет сопряженные разъемы соприкасаться только своими сердечниками. Это называется полировкой физического контакта (PC). Изогнутая поверхность может быть отполирована под углом, чтобы создать соединение углового физического контакта (APC) . Такие соединения имеют более высокие потери, чем соединения PC, но значительно уменьшают обратное отражение, поскольку свет, отражающийся от наклонной поверхности, просачивается из сердечника волокна. Концы волокна APC имеют низкое обратное отражение даже при отключении.
В 1990-х годах количество деталей на разъем, полировка волокон и необходимость запекать эпоксидную смолу в каждом разъеме затрудняли концевую заделку волоконно-оптических кабелей. Сегодня типы разъемов на рынке предлагают более простые и менее трудоемкие способы концевой заделки кабелей. Некоторые из самых популярных разъемов предварительно полируются на заводе и включают гель внутри разъема. Скол делается на требуемой длине, чтобы максимально приблизиться к полированной детали, уже находящейся внутри разъема. Гель окружает точку, где две детали встречаются внутри разъема, обеспечивая очень малые потери света. [89] Для самых сложных установок предварительно отполированные на заводе пигтейлы достаточной длины, чтобы достичь первого корпуса для сварки, обеспечивают хорошую производительность и минимизируют трудозатраты на месте.
Часто необходимо выровнять оптическое волокно с другим оптическим волокном или с оптоэлектронным устройством, таким как светодиод , лазерный диод или модулятор . Это может включать либо тщательное выравнивание волокна и размещение его в контакте с устройством, либо использование линзы для обеспечения связи через воздушный зазор. Обычно размер моды волокна намного больше размера моды в лазерном диоде или кремниевом оптическом чипе . В этом случае используется коническое или линзированное волокно для согласования распределения поля моды волокна с распределением поля другого элемента. Линза на конце волокна может быть сформирована с помощью полировки, лазерной резки [90] или сварки сплавлением.
В лабораторных условиях оголенный конец волокна соединяется с помощью системы запуска волокна, которая использует объектив микроскопа для фокусировки света в точную точку. Прецизионный трансляционный столик (микропозиционный стол) используется для перемещения линзы, волокна или устройства, чтобы обеспечить оптимизацию эффективности соединения. Волокна с разъемом на конце значительно упрощают этот процесс: разъем просто подключается к предварительно выровненному волоконно-оптическому коллиматору, который содержит линзу, которая либо точно позиционируется на волокне, либо регулируется. Для достижения наилучшей эффективности инжекции в одномодовое волокно необходимо оптимизировать направление, положение, размер и расхождение луча. При хорошей оптимизации можно достичь эффективности соединения от 70 до 90%.
При правильной полировке одномодовых волокон излучаемый луч имеет почти идеальную гауссову форму — даже в дальнем поле — если используется хорошая линза. Линза должна быть достаточно большой, чтобы поддерживать полную числовую апертуру волокна, и не должна вносить аберрации в луч. Обычно используются асферические линзы .
При высокой оптической интенсивности, более 2 мегаватт на квадратный сантиметр, когда волокно подвергается удару или иным образом внезапно повреждается, может произойти перегорание волокна . Отражение от повреждения испаряет волокно непосредственно перед разрывом, и этот новый дефект остается отражающим, так что повреждение распространяется обратно к передатчику со скоростью 1–3 метра в секунду (4–11 км/ч, 2–8 миль/ч). [91] [92] Открытая система управления волокном , которая обеспечивает безопасность глаза лазера в случае разрыва волокна, также может эффективно остановить распространение перегорания волокна. [93] В таких ситуациях, как подводные кабели, где высокие уровни мощности могут использоваться без необходимости открытого управления волокном, защитное устройство «перегорание волокна» на передатчике может разорвать цепь, чтобы свести ущерб к минимуму.
Показатель преломления волокон немного меняется в зависимости от частоты света, а источники света не являются идеально монохроматическими. Модуляция источника света для передачи сигнала также немного расширяет частотный диапазон передаваемого света. Это приводит к тому, что на больших расстояниях и при высоких скоростях модуляции разные частоты света могут достигать приемника за разное время, в конечном итоге делая сигнал неразличимым и требуя дополнительных повторителей. [94] Эту проблему можно преодолеть несколькими способами, включая использование относительно короткого отрезка волокна с противоположным градиентом показателя преломления.
