Что такое оптическое волокно?

Определение

Оптическое волокно — это тонкая, гибкая нить, изготовленная из стекла (кварца) или пластика, предназначенная специально для передачи оптических (световых) сигналов. Несмотря на свой хрупкий вид, диаметр оптического волокна обычно превышает диаметр человеческого волоса.

Более точно, оптическое волокно функционирует как волновод, позволяя передавать электромагнитные волны в виде света на оптических частотах. Это уникальное свойство позволяет ему передавать информацию на большие расстояния с высокой эффективностью и минимальными потерями сигнала, делая его основой современных технологий связи.

Строение оптического волокна

Оптическое волокно состоит из двух ключевых компонентов: сердцевины и оболочки. Сердцевина, цилиндрическая диэлектрическая структура, в основном изготовленная из стекла, служит путем для распространения света. Именно в этой центральной области проходят оптические сигналы, управляемые принципами полного внутреннего отражения. Оболочка, обычно изготовленная из пластика, окружает сердцевину. Она играет важную роль в удержании света внутри сердцевины, обеспечивая целостность оптических сигналов и их передачу на большие расстояния без значительных потерь или деградации.

На рисунке ниже показано детальное строение оптического волокна, выделяя различные слои сердцевины и оболочки и их роли в обеспечении эффективной передачи света.

Детали строения и функциональности

Весь сборочный узел оптического волокна заключен в эластичную оболочку, которая служит защитным слоем. Эта оболочка защищает волокно от физических повреждений, воздействия окружающей среды и механических нагрузок, обеспечивая его целостность при установке, эксплуатации и обращении.

Важно отметить, что оболочка в оптическом волокне не участвует непосредственно в передаче световых волн; вместо этого свет распространяется исключительно через сердцевину. Однако комбинация сердцевины и оболочки необходима для минимизации потерь сигнала, вызванных рассеянием. Это связано с тем, что разница в показателях преломления между этими двумя компонентами позволяет эффективно направлять свет. Конкретно, показатель преломления сердцевины должен быть выше, чем у оболочки. Этот разрыв в показателях преломления является фундаментальным принципом, который позволяет эффективно передавать свет в волокне.

Распространение света в оптических волокнах

Оптические волокна предназначены для передачи сигналов в виде света (фотонов). Возникает вопрос: как именно свет распространяется через оптическое волокно? Ответ кроется в явлении полного внутреннего отражения.

Когда свет попадает в оптическое волокно, он проходит через сердцевину, подвергаясь непрерывному отражению от оболочки. Эти отражения являются полным внутренним отражением, которое происходит при определенных условиях. Как уже обсуждалось в контексте полного внутреннего отражения, это явление происходит, когда свет переходит из среды с более высоким показателем преломления (более плотная сердцевина) в среду с меньшим показателем преломления (более редкая оболочка) под углом падения, превышающим критический угол.

При таком угле падения, вместо того чтобы преломляться в оболочку, свет продолжает распространяться через сердцевину, последовательно отражаясь. Цилиндрическая форма сердцевины с относительно малым диаметром обеспечивает, что только минимальное количество света отражается от границы сердцевины и оболочки. Это, в свою очередь, гарантирует, что угол падения светового луча остается постоянно больше критического угла, что позволяет свету эффективно направляться вдоль всей длины волокна.

Режимы распространения в оптических волокнах

Когда свет распространяется по оптическому волокну, он может следовать либо по одному пути, либо по нескольким путям, проходя через сердцевину. В сущности, "режимы" распространения относятся к числу различных путей, которыми световой луч может следовать, проходя через волокно. Существуют два основных режима распространения в оптических волокнах:

Одномодовое волокно

В одномодовом волокне световые лучи распространяются по волокну только по одному пути. Этот единственный путь распространения волн значительно уменьшает искажение сигнала во время передачи. Поскольку нет нескольких путей для распространения световых лучей, целостность сигнала может быть сохранена на больших расстояниях, обеспечивая высококачественную связь.

Сердцевина одномодового волокна имеет очень малый диаметр, что требует использования высокофокусированного светового луча. По этой причине преимущественно используются лазерные источники света, поскольку они могут излучать острый, когерентный луч, который может эффективно распространяться через узкую сердцевину без значительного расхождения или рассеяния.

Многомодовое волокно

Многомодовые волокна имеют сердцевину с диаметром, значительно большим, чем у одномодовых волокон. Этот более широкий диаметр сердцевины позволяет световым лучам распространяться по многим путям внутри сердцевины. Хотя это свойство позволяет волокну одновременно передавать больше света, оно также увеличивает вероятность дисперсии и затухания сигнала. Дисперсия возникает, когда различные световые лучи, проходящие по различным путям внутри сердцевины, приходят к месту назначения в немного разное время, размывая сигнал. Затухание, или ослабление сигнала, также более выражено в многомодовых волокнах из-за факторов, таких как рассеяние и поглощение в более крупной сердцевине. Однако, более широкий диаметр сердцевины предоставляет преимущество в возможности аккомодировать несколько путей распространения световых волн, что делает его подходящим для применений, где простота и низкая стоимость приоритетнее, чем сверхдлинные, высокополосные передачи.

Что такое стеклянные волокна?

Стекло — это аморфное твердое вещество, характеризующееся своей твердостью, прозрачностью и хрупкостью. Оно создается путем плавления комбинации материалов, а затем быстрого охлаждения (закалки). В отличие от кристаллических твердых веществ, стекло не имеет четко определенной, регулярной молекулярной структуры. Вместо этого его молекулы расположены в беспорядочном, произвольном порядке.

Стекло обладает уникальной характеристикой: изменение его материального состава приводит к соответствующим изменениям в его свойствах. Эта пластичность свойств делает стекло универсальным материалом, особенно при изготовлении оптических волокон с заданными эксплуатационными характеристиками.

Преимущества оптического волокна

• Передача сигнала, устойчивого к искажениям: Оптические волокна способствуют распространению световых волн, обеспечивая передачу сигналов с замечательной устойчивостью к искажениям. Это гарантирует, что целостность передаваемой информации остается неизменной, даже на больших расстояниях.

• Безопасная и дальняя связь: Эти волокна предоставляют безопасный способ передачи данных на большие расстояния. Природа передачи световых волн внутри волокна ограничивает сигнал, снижая риск перехвата и помех, что делает его идеальным для применений, где важна безопасность данных.

• Продленный срок службы: По сравнению с другими типами кабелей для передачи, оптические волокна имеют значительно более длительный срок службы. Их долговечность и устойчивость к износу способствуют поддержанию надежной работы в течение длительного времени, минимизируя необходимость частых замен.

Недостатки оптического волокна

• Высокие затраты на установку и обслуживание: Первоначальная установка и текущее обслуживание систем оптического волокна могут быть относительно дорогими. Это включает в себя стоимость специализированного оборудования, квалифицированного труда для установки и регулярного обслуживания, чтобы обеспечить оптимальную работу.

• Уязвимость к воздействию окружающей среды: Из-за своей хрупкой природы, оптические волокна требуют усиленной защиты от воздействия окружающих условий. Воздействие физического напряжения, экстремальных температур, влаги и других факторов окружающей среды может потенциально повредить волокна и нарушить передачу сигнала.

• Необходимость повторителей: Хотя оптические волокна могут передавать сигналы на большие расстояния с минимальными искажениями, часто требуется использование повторителей для усиления и регенерации сигнала, чтобы компенсировать любое ухудшение, происходящее на расстоянии, что добавляет сложности и затраты к общей системе.

Оптические волокна обычно изготавливаются из кварца из-за его превосходных эксплуатационных характеристик. Кварц — это химически стабильный материал, который позволяет ему выдерживать суровые условия окружающей среды без значительного разрушения. Его стабильность и оптические свойства делают его материалом выбора для оптических приложений связи, обеспечивая надежную и эффективную передачу сигнала.