Що таке оптичний волокон?

Визначення

Світловод — це тонка, гнучка нитка, виготовлена з скла (кварцю) або пластмаси, спеціально призначена для передачі оптичних (світлових) сигналів. Незважаючи на свій дрібний вигляд, діаметр світловода зазвичай більший, ніж у людського волосся.

Більш точно, світловод функціонує як хвильовод, що дозволяє передавати електромагнітні хвилі у формі світла на оптичних частотах. Ця унікальна властивість дозволяє йому переносити інформацію на великі відстані з високою ефективністю та мінімальними втратами сигналу, роблячи його ключовим елементом сучасних технологій зв'язку.

Структура світловода

Світловод складається з двох ключових компонентів: сердцевина та оболонка. Сердцевина, циліндрична діелектрична структура, в основному зроблена зі скла, служить шляхом для поширення світла. Саме в цьому центральному регіоні оптичні сигнали подорожують, керовані принципами повної внутрішньої рефракції. Навколо сердцевини знаходиться оболонка, зазвичай зроблена з пластмаси. Оболонка відіграє важливу роль у затриманні світла всередині сердцевини, забезпечуючи, що оптичні сигнали залишаються цілісними та можуть передаватися на великі відстані без значних втечок або вироблення.

Нижче зображено детальну структуру світловода, виділяючи окремі шари сердцевини та оболонки та їхню відповідну роль у забезпеченні ефективної передачі світла.

Деталі структури та функціональність

Весь збірний вузол світловоду заключений в пружну оболонку, яка служить захисним шаром. Ця оболонка захищає волокно від фізичних пошкоджень, екологічних факторів та механічних напружень, забезпечуючи його цілісність під час встановлення, експлуатації та обслуговування.

Важливо зазначити, що в світловодах оболонка не приносить безпосереднього внеску в передачу світлових хвиль; замість цього, світло проходить лише через сердцевину. Однак, комбінація сердцевини та оболонки є необхідною для мінімізації втрат сигналу, спричинених розсіянням. Це тому, що різниця показників заломлення між двома компонентами дозволяє ефективне керування світлом. Зокрема, показник заломлення сердцевини має бути вищим, ніж оболонки. Ця різниця показників заломлення є фундаментальним принципом, що дозволяє ефективну передачу світла всередині волокна.

Поширення світла в світловодах

Світловоди призначені для передачі сигналів у формі світла (фотонів). Виникає питання: як саме світло проходить через світловод? Відповідь полягає в явищі повної внутрішньої рефракції.

Коли світло входить в світловод, воно проходить через сердцевину, відбиваючись від оболонки. Ці відбиття є повними внутрішніми відбиттями, які відбуваються при певних умовах. Як вже було згадано в контексті повної внутрішньої рефракції, це явище відбувається, коли світло переходить від середовища з вищим показником заломлення (плотна сердцевина) до середовища з нижчим показником заломлення (рідка оболонка) під кутом падіння, більшим за критичний кут.

При такому куті падіння, замість того, щоб заломлюватися в оболонку, світло продовжує поширюватися через сердцевину, відбиваючись послідовно. Циліндрична форма сердцевини з її відносно малим діаметром забезпечує, що лише мінімальна кількість світла відбивається від поверхні сердцевини-оболонки. Це, в свою чергу, гарантує, що кут падіння променя світла залишається постійно більшим за критичний кут, дозволяючи світлу ефективно керуватися вздовж довжини волокна.

Режими поширення в світловодах

Коли світло проходить вздовж світловоду, воно може слідувати або одному шляху, або декільком шляхам, пройшовши через сердцевину. По суті, "режими" поширення вказують на кількість окремих шляхів, якими промінь світла може проходити через волокно. Основно існує два фундаментальні режими поширення в світловодах:

Одномодовий волоконний світловод

У одномодовому волоконному світловоді промені світла поширюються через волокно лише одним шляхом. Цей єдиний шлях хвильового поширення значно зменшує спотворення сигналу під час процесу передачі. Оскільки немає кількох шляхів для проходження променів світла, цілісність сигналу може бути збережена на великі відстані, забезпечуючи високоякісне зв'язкування.

Сердцевина одномодового волоконного світловоду має дуже маленький діаметр, що вимагає використання сильно сфокусованого світлового пучка. Тому переважно використовуються лазерні джерела світла, оскільки вони можуть випромінювати гострий, когерентний пучок, який може ефективно проходити через вузьку сердцевину без значного розсіяння або розсіювання.

Мультимодовий волоконний світловод

Мультимодові волоконні світловоди мають сердцевину з діаметром, який значно більший порівняно з одномодовими волокнами. Ця ширша сердцевина дозволяє променям світла поширюватися через кілька шляхів всередині сердцевини. Хоча ця властивість дозволяє волокну одночасно переносити більше світла, вона також збільшує ймовірність розсіяння сигналу та зниження. Розсіяння сигналу відбувається, коли різні промені світла, які проходять різними шляхами всередині сердцевини, приходять до пункту призначення в трохи різні моменти, розмиваючи сигнал. Зниження, або послаблення сигналу, також більш помітне в мультимодових волокнах через фактори, такі як розсіяння та поглинання в більшій сердцевині. Однак, ширший діаметр сердцевини надає перевагу у вміщенні кількох шляхів для хвиль світла, роблячи його придатним для застосувань, де простота та нижча вартість мають перевагу над надзвичайно дальнім зв'язком з високою пропускною здатністю.

Що таке скляні волокна?

Скло — це аморфний твердий матеріал, характеризуючийся твердістю, прозорістю та хрупкістю. Воно створюється шляхом розплавлення суміші матеріалів, а потім швидкого охолодження (закалювання) їх. На відміну від кристалічних твердих тіл, скло не має добре визначеної, регулярної молекулярної структури. Замість цього, його молекули розташовані в нерегулярному, довільному порядку.

Скло має унікальну характеристику: зміна його матеріального складу призводить до відповідних змін його властивостей. Ця пластичність властивостей робить скло универсальним матеріалом, особливо коли йдеться про виготовлення оптичних волокон з налаштованими характеристиками.

Переваги світловодів

• Передача сигналу, стійкого до спотворення: Світловоди дозволяють поширення світлових хвиль, забезпечуючи передачу сигналів з вражаючою стійкістю до спотворення. Це гарантує, що цілісність передаваної інформації зберігається, навіть на великі відстані.

• Захищене та довговідстанне зв'язкування: Ці волокна забезпечують безпечний спосіб передачі даних на великі відстані. Природа передачі світлових хвиль всередині волокна обмежує сигнал, зменшуючи ризик перехоплення та інтерференції, роблячи їх ідеальними для застосувань, де безпека даних є первинною.

• Продовжений термін служби: Порівняно з іншими типами кабелів передачі, світловоди мають значно довший строк служби. Їхня стійкість та витривалість до зношення допомагають підтримувати надійну продуктивність протягом тривалого періоду, мінімізуючи потребу в частіх замінах.

Недоліки світловодів

• Високі витрати на встановлення та обслуговування: Первинне встановлення та постійне обслуговування систем світловодів може бути відносно дорогим. Це включає вартість спеціалізованого обладнання, кваліфікованої праці для встановлення та регулярного обслуговування для забезпечення оптимальної продуктивності.

• Вразливість до екологічних факторів: Через свою хрупкість, світловоди потребують підвищеної захисти від екологічних умов. Вплив фізичних напружень, екстремальних температур, вологи та інших екологічних елементів може потенційно пошкодити волокна та перешкодити передачі сигналу.

• Необхідність повторювачів: Хоча світловоди можуть передавати сигнали на великі відстані з мінімальними спотвореннями, часто необхідно використовувати повторювачі під час передачі сигналу. Ці повторювачі підсилюють та регенерують сигнал, компенсуючи будь-яке зниження, що відбувається на відстані, що додає складності та вартості загальної системи.

Світловоди зазвичай виготовляються з кварцу через його переважні робочі характеристики. Кварц є хімічно стабільним матеріалом, що дозволяє йому витривати жорсткі екологічні умови без значного вироблення. Його стабільність та оптичні властивості роблять його матеріалом вибору для оптичних комунікацій, забезпечуючи надійну та ефективну передачу сигналу.