Optinen kuitu

Optinen kuitu - optisesti läpinäkyvää materiaalia (lasia, muovia)  oleva lanka, jota käytetään siirtämään valoa itsessään täydellisen sisäisen heijastuksen kautta .

Optinen kuitu  on dielektrinen ohjausväline, joka on suunniteltu kanavoimaan sähkömagneettisia aaltoja optisella ja infrapuna-alueella. Optinen kuitu on rakenteeltaan koaksiaalista ja koostuu ytimestä, kuoresta ja primääriakrylaattipinnoitteesta, ja sille on tunnusomaista taitekerroinprofiili.

Kuituoptiikka  on soveltavan tieteen ja tekniikan ala, joka kuvaa tällaisia ​​kuituja. Kuituoptisessa viestinnässä käytetään optisiin kuituihin perustuvia kaapeleita ( kuituoptinen kaapeli ) , mikä mahdollistaa tiedon siirtämisen pitkiä matkoja suuremmalla tiedonsiirtonopeudella kuin sähköisessä viestinnässä [1] . Joissakin tapauksissa niitä käytetään myös antureiden luomiseen .

Historia

Kuituoptiikassa käytetty valonläpäisyperiaate esiteltiin ensimmäisen kerran 1800-luvulla, mutta sen laajaa soveltamista hankaloitti sopivan tekniikan puute.

Vuonna 1934 amerikkalainen Norman R. French sai patentin optiselle puhelinjärjestelmälle, jossa puhesignaalit välitettiin valolla puhtaan lasisauvojen läpi [2] .

1950-luvulla Brian O'Brien ja Narinder Kapanii (joka loi termin kuituoptiikka vuonna 1956) kehittivät optisia kuituja kuvansiirtoon. Niitä on käytetty lääketieteessä ( endoskopiassa ) käytetyissä valojohtimissa [3] [4] .

Vuonna 1962 luotiin puolijohdelaser ja valodiodi , joita käytettiin optisen signaalin lähteenä ja vastaanottimena [2] .

Vuonna 1966 K. Ch. Kao ja J. Hockham muotoilivat vaatimukset optisen kuidun tiedonsiirtojärjestelmälle ja osoittivat mahdollisuuden luoda optinen kuitu, jonka vaimennus on alle 20 dB / km . He havaitsivat, että ensimmäisille kuiduille luontainen korkea vaimennustaso (noin 1000 dB/km) johtui lasissa olevista epäpuhtauksista. Tästä työstä Kao sai vuoden 2009 fysiikan Nobelin palkinnon .

Mutta vasta vuoteen 1970 mennessä Corningin työntekijät Robert Maurer ja Donald Keck onnistuivat saamaan kuitua alhaisella vaimennuksella - jopa 16 dB / km, parissa vuodessa - jopa 4 dB / km. Kuitu oli monimuotoinen ja sitä pitkin välitettiin useita valomuotoja . Vuoteen 1983 mennessä hallittiin yksimuotokuitujen tuotanto, jonka kautta yksi moodi välitettiin .

Kuituoptisia tietoliikennelinjoja (FOCL) käytettiin ensin sotilaallisiin tarkoituksiin. Vuonna 1973 Yhdysvaltain laivasto otti ensimmäisen kerran käyttöön valokuituyhteyden Little Rock -aluksella . Vuonna 1976 Yhdysvaltain ilmavoimat korvasivat A-7- lentokoneen kaapelilaitteet kuituoptisilla laitteilla, jotka painoivat paljon vähemmän. Vuonna 1977 laukaistiin kahden kilometrin mittainen FOCL, joka yhdisti maasatelliittiaseman ohjauskeskukseen.

Vuonna 1980 ensimmäinen kaupallinen FOCL aloitti toimintansa Yhdysvalloissa Bostonin ja Richmondin välillä [3] [4] .

Neuvostoliitossa ensimmäiset kuituoptiset tietoliikennelinjat ilmestyivät useisiin kohteisiin 1980-luvun lopulla. Ensimmäinen venäläinen kansainvälinen FOCL oli Pietari  - Albertslund ( Tanska ) vedenalainen linja, jonka JSC Sovtelecom [5] [6] (nykyisin PJSC Rostelecom [7] ) rakensi vuonna 1993.

Vuonna 2018 NICT Network System Research Instituten ja Fujikura Ltd:n tutkijat, joiden asiantuntijat kehittivät uudentyyppisen kolmimoodisen (kolmikanavaisen) optisen kuidun, suorittivat kokeen, jonka aikana saavutettiin tiedonsiirtonopeus 159 terabittiä sekunnissa . matkaa 1045 kilometriä. Normaaleissa olosuhteissa monimuotokuidun viiveet vaikeuttavat samanaikaisesti suurten lähetysnopeuksien vastaanottamista ja lähetyksen suorittamista pitkiä matkoja. Ja tämä saavutus on eräänlainen osoitus uudesta menetelmästä rajoitusten voittamiseksi [8] .

Materiaalit

Lasioptiset kuidut valmistetaan kvartsilasista , mutta muita materiaaleja, kuten fluorisirkonaatti- , fluoroaluminaatti- ja kalkogenidilaseja voidaan käyttää kauko-infrapunasäteilyyn . Kuten muidenkin lasien, näidenkin taitekerroin on noin 1,5.

Parhaillaan kehitetään muovisten optisten kuitujen käyttöä. Tällaisen kuidun ydin on valmistettu polymetyylimetakrylaatista (PMMA) ja vaippa on valmistettu fluoratusta PMMA:sta (fluoripolymeereistä).

Rakentaminen

Optisella kuidulla on pääsääntöisesti pyöreä poikkileikkaus ja se koostuu kahdesta osasta - ytimestä ja verhouksesta. Täydellisen sisäisen heijastuksen varmistamiseksi ytimen absoluuttinen taitekerroin on hieman korkeampi kuin verhouksen. Ydin on valmistettu puhtaasta materiaalista (lasi tai muovi) ja sen halkaisija on 9 µm (yksimuotokuidulle), 50 tai 62,5 µm (monimuotokuidulle). Verhouksen halkaisija on 125 µm ja se koostuu materiaalista, jossa on taitekerrointa muuttavia lisäaineita. Esimerkiksi, jos verhouksen taitekerroin on 1,474, niin ytimen taitekerroin on 1,479. Ytimeen suunnattu valonsäde etenee sitä pitkin ja heijastuu monta kertaa kuoresta.

Myös monimutkaisemmat mallit ovat mahdollisia: kaksiulotteisia fotonikiteitä voidaan käyttää ytimenä ja verhouksena , taitekertoimen askelmuutoksen sijaan käytetään usein kuituja, joilla on gradienttitaitekerroinprofiili, ytimen muoto voi poiketa lieriömäinen. Tällaiset mallit tarjoavat kuiduille erityisiä ominaisuuksia: etenevän valon polarisaation ylläpitäminen, häviöiden vähentäminen, kuitudispersion muuttaminen jne.

Tietoliikenteessä käytettävien optisten kuitujen halkaisija on tyypillisesti 125±1 mikronia. Ytimen halkaisija voi vaihdella kuitutyypin ja kansallisten standardien mukaan.

Luokitus

Optiset kuidut voivat olla yksimuotoisia tai monimuotoisia. Yksimuotokuitujen ytimen halkaisija on 7-10 mikronia . Ytimen pienen halkaisijan vuoksi optinen säteily etenee kuidun läpi yhdessä (fundamentaalissa) moodissa, eikä sen seurauksena ole intermode-dispersiota.

Yksimuotoisia kuituja on kolme päätyyppiä:

  1. yksimuotoinen porrastettu kuitu siirtämättömällä dispersiolla (standardi) (SMF tai SM, englanti  step index single mode fiber ) , on määritelty ITU-T G.652 -suosituksessa ja sitä käytetään useimmissa optisissa viestintäjärjestelmissä;
  2. dispersiosiirretty yksimuotokuitu ( DSF tai DS ) on määritelty ITU - T G.653 :ssa .  DSF-kuiduissa nolladispersion alue siirretään epäpuhtauksien avulla kolmanteen läpinäkyvyysikkunaan , jossa havaitaan pienin vaimennus;
  3. ei - nolladispersiosiirretty yksimuotokuitu ( NZDSF , NZDS  tai NZ , _ _

Monimuotokuidut eroavat yksimuotokuiduista ytimen halkaisijaltaan, joka on eurooppalaisessa standardissa 50 mikronia ja Pohjois-Amerikan ja Japanin standardeissa 62,5 mikronia. Ytimen suuren halkaisijan vuoksi monimuotokuidun läpi etenee useita säteilymuotoja - kukin omassa kulmassaan, minkä vuoksi valopulssi kokee dispersion vääristymän ja muuttuu suorakaiteen muotoisesta kellon muotoiseksi.

Monimuotokuidut jaetaan porrastettuihin ja gradienttikuituihin. Porrastetuissa kuiduissa taitekerroin muuttuu asteittain verhouksesta ytimeen. Gradienttikuiduissa tämä muutos tapahtuu eri tavalla - ytimen taitekerroin kasvaa tasaisesti reunasta keskustaan. Tämä johtaa taittumiseen ytimessä, mikä vähentää dispersion vaikutusta optisen pulssin vääristymiseen. Gradienttikuidun taitekerroinprofiili voi olla parabolinen , kolmiomainen , katkennut ja niin edelleen.

Polymeeri- (muovi)kuituja valmistetaan halkaisijaltaan 50, 62,5, 120 ja 980 mikrometriä ja vaipan halkaisijaltaan 490 ja 1000 mikronia.

Sovellus

Kuituoptinen viestintä

Optisia kuituja käytetään pääasiassa tiedonsiirtovälineenä eritasoisissa kuituoptisissa tietoliikenneverkoissa: mannertenvälisistä moottoriteistä kotitietokoneverkkoihin. Optisten kuitujen käyttö viestintälinjoissa johtuu siitä, että valokuitu tarjoaa korkean suojan luvatonta pääsyä vastaan, alhaisen signaalin vaimennuksen siirrettäessä tietoa pitkiä matkoja, kyvystä toimia erittäin korkeilla lähetysnopeuksilla ja suorituskyvyllä, vaikka signaalin etenemisnopeus on kuiduissa voi olla jopa 30 % pienempi kuin kuparilangoissa ja jopa 40 % pienempi kuin radioaaltojen etenemisnopeus [9] . Jo vuoteen 2006 mennessä saavutettiin 111 GHz:n [10] [11] modulaatiotaajuus , kun taas 10 ja 40 Gbit/s nopeuksista on jo tullut standardisiirtonopeuksia yhdellä valokuitukanavalla. Samanaikaisesti jokainen kuitu, käyttämällä kanavien spektraalisen multipleksoinnin tekniikkaa , voi lähettää jopa useita satoja kanavia samanaikaisesti, mikä tarjoaa kokonaistiedonsiirtonopeuden, joka lasketaan terabitteinä sekunnissa. Vuoteen 2008 mennessä saavutettiin siis nopeus 10,72 Tbps [12] ja vuoteen 2012 mennessä 20 Tbps [13] . Viimeisin nopeusennätys on 255 Tbps [14] .

Vuodesta 2017 lähtien asiantuntijat ovat puhuneet olemassa olevien kuituoptisten viestintätekniikoiden käytännön rajan saavuttamisesta ja perusteellisten muutosten tarpeesta alalla [15] .

Kuituoptinen anturi

Optista kuitua voidaan käyttää anturina jännitteen, lämpötilan, paineen ja muiden parametrien mittaamiseen. Pieni koko ja sähköenergian tarpeen käytännössä puuttuminen antavat kuituoptisille antureille tietyillä alueilla etua perinteisiin sähköantureihin verrattuna.

Optista kuitua käytetään hydrofoneissa seismisessä tai kaikuluotaimessa. Hydrofonijärjestelmiä on kehitetty yli 100 anturilla kuitukaapelia kohden. Hydrofonianturijärjestelmiä käytetään öljyteollisuudessa ja myös joidenkin maiden laivastoissa. Saksalainen Sennheiser on kehittänyt lasermikrofonin , jonka pääelementtejä ovat lasersäteilijä, heijastava kalvo ja optinen kuitu [16] .

Lämpötilaa ja painetta mittaavat kuituoptiset anturit on suunniteltu mittauksiin öljykaivoissa. Ne sopivat hyvin tähän ympäristöön, koska ne toimivat liian korkeissa lämpötiloissa puolijohdeantureille.

Polymeerioptisten kuitujen avulla luodaan uusia kemiallisia antureita (antureita), joita käytetään laajasti ekologiassa, esimerkiksi ammoniumin havaitsemiseen vesipitoisissa väliaineissa [17] .

Valokaarisuojalaitteita on kehitetty kuituoptisilla antureilla, joiden tärkeimmät edut perinteisiin valokaarisuojalaitteisiin verrattuna ovat: suuri nopeus, herkkyys sähkömagneettisille häiriöille, joustavuus ja helppo asennus, dielektriset ominaisuudet.

Boeing 767 :ssä käytetyssä lasergyroskoopissa käytetty optinen kuitu ja joissakin automalleissa (navigointia varten). Kuituoptisia gyroskooppeja käytetään Sojuz - avaruusaluksissa [18] . Interferometrisissa magneettikenttä- ja sähkövirta-antureissa käytetään erityisiä optisia kuituja. Nämä ovat kuituja, jotka on saatu pyörittämällä esimuotia, jossa on vahva sisäänrakennettu kahtaistaitteisuus.

Muut käyttötarkoitukset

Optisia kuituja käytetään laajalti valaistukseen . Niitä käytetään valoohjaimina lääketieteellisissä ja muissa sovelluksissa, joissa kirkasta valoa on toimitettava vaikeapääsyisille alueille. Joissakin rakennuksissa optiset kuidut ohjaavat auringonvaloa katolta johonkin rakennuksen osaan. Myös autovalaistuksessa (ilmaisin kojelaudassa).

Kuituoptista valaistusta käytetään myös koristetarkoituksiin, mukaan lukien kaupallinen mainonta, taide ja keinotekoiset joulukuuset .

Optista kuitua käytetään myös kuvantamiseen. Optisen kuidun lähettämää valonsädettä käytetään joskus linssien yhteydessä, kuten endoskoopissa , jota käytetään esineiden katseluun pienen aukon kautta.

Valokuitua käytetään kuitulaserin rakentamisessa .

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ A. G. Korobeinikov, Yu. A. Gatchin, K. V. Dukelsky, E. V. Ter - Nersesyants  Suurlujuuksien valokuitutuotannon ongelmat - UDC 681.7.- ITMO :n tieteellinen ja tekninen tiedote . - numero 2 (84). – maaliskuu-huhtikuu 2013
  2. ↑ 1 2 Dushutin N. K., Mokhovikov A. Yu. Kondensoituneen aineen fysiikan historiasta . Kondensoituneen aineen fysiikan historiasta P. 157. Irkutskin valtionyliopisto (2014). Haettu 21. tammikuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 27. tammikuuta 2016.
  3. ↑ 1 2 Historiallinen poikkeama . Haettu 28. kesäkuuta 2022. Arkistoitu alkuperäisestä 14. syyskuuta 2019.
  4. ↑ 1 2 A kuituoptinen kronologia
  5. ↑ FOCL:n rakentamisen piirteitä Venäjällä . Haettu 28. kesäkuuta 2022. Arkistoitu alkuperäisestä 25. maaliskuuta 2018.
  6. ↑ Telecom Venäjällä 2000-2004 . Haettu 28. kesäkuuta 2022. Arkistoitu alkuperäisestä 6. syyskuuta 2019.
  7. ↑ OJSC Rostelecomin historia
  8. ↑ "Record Breaking Fiber Transmission Speed ​​​​Reported" Arkistoitu 19. huhtikuuta 2018 Wayback Machine ECN:ssä, 17. huhtikuuta 2018
  9. ↑ Salifov I. I. Nykyaikaisten runkoverkkojen lähetysvälineiden laskenta ja vertailu latenssin (viiveen) kriteerin mukaan  // T-Comm - Telecommunications and Transport: Journal. - M . : Kustantaja "Media Publisher", 2009. - No. 4 . - S. 42 . Arkistoitu alkuperäisestä 21. tammikuuta 2022.
  10. ↑ NTT:n lehdistötiedote. 14 Tbps yhdellä optisella kuidulla: Maailman suurimman kapasiteetin onnistunut osoitus. 140 digitaalista teräväpiirtoelokuvaa lähetetään yhdessä sekunnissa (linkki ei käytettävissä) (29. syyskuuta 2006). Haettu 3. lokakuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 27. toukokuuta 2012. 
  11. ↑ MS Alfiad et ai. . 111 Gb/s POLMUX-RZ-DQPSK Lähetys yli 1140 km:n SSMF:n nopeudella 10,7 Gb/s NRZ-OOK Naapurit, C. Mo.4.E.2.
  12. ↑ Listvin A.V., Listvin V.N., Shvyrkov D.V. Optiset kuidut viestintälinjoille . - M . : LESARart, 2003. - S.  8 . — 288 s. - 10 000 kappaletta.  - ISBN 5-902367-01-8 .
  13. ↑ Huawei julkistaa prototyypin 400G DWDM-runkosiirtojärjestelmän . Haettu 23. syyskuuta 2013. Arkistoitu alkuperäisestä 26. syyskuuta 2013.
  14. ↑ Optinen kuitu, jonka kaistanleveys on jopa 255 terabittiä sekunnissa , luotiin , Lenta.ru  (28. lokakuuta 2014). Arkistoitu alkuperäisestä 29. lokakuuta 2014. Haettu 29. lokakuuta 2014.
  15. ↑ Alexander Golyshko, Vitaly Shub. Aika ihmeille tai jarrut maailman lopulle . ICS-media . ICS Journal (7. heinäkuuta 2017). Haettu 21. toukokuuta 2018. Arkistoitu alkuperäisestä 22. toukokuuta 2018.
  16. ↑ TP: Der Glasfaser-Schallwandler . Haettu 4. joulukuuta 2005. Arkistoitu alkuperäisestä 21. elokuuta 2011.
  17. ↑ Lopez N. ., Sequeira F. ., Gomez M. S., Rogerio N. N., Bilro L. ., Zadorozhnaya O. A., Rudnitskaya A. M. Fiber-optic sensor modified by molecularly printed polymeeri oksastus ammoniumin havaitsemiseksi vesipitoisissa väliaineissa  // Journal tietotekniikkaa, mekaniikkaa ja optiikkaa koskeva tiedote". - 2015. - Nro 4 . — ISSN 2226-1494 . Arkistoitu alkuperäisestä 8. heinäkuuta 2015.
  18. ↑ Tutkimus- ja tuotantoyhtiö "Optolink": Uutiset . Haettu 17. kesäkuuta 2013. Arkistoitu alkuperäisestä 18. kesäkuuta 2013.

Kirjallisuus

Linkit


  Siirry Wikidata-kohteeseen  Sanakirjat ja tietosanakirjat