száloptika
Akadémikus EM Dianov [email protected].
A.S.KURKOV [email protected],
Száloptika Kutatóközpont RAS, Moszkva
Száloptika egy viszonylag fiatal tudomány és a technológia, és annak meghatározása nem tekinthető értékben. Mindazonáltal mi megpróbáljuk adja meg.
A szerkezet az optikai szál
Ez egy olyan terület a tudomány és a technológia, amely évek óta tanulmányozza a jelenséget, hogy előfordulnak a fény terjedése az optikai szálak; az optikai szálak és a termelési technológia. Az optikai szál - egy hosszú, vékony izzószál, általában üvegből, amelynek bonyolult belső szerkezete következtében. A legegyszerűbb esetben, az optikai szál áll egy mag törésmutatója n1. héj, amelynek törésmutatója n2 (ahol n1> n2), és védőbevonatot. A mag és a héj képez hullámvezető szerkezetet nyújtó terjedését sugárzás, és egy külső bevonat (polimer, fém, stb) védi a szál a külső hatásoktól.
A jelenség a teljes visszaverődés
A fény terjedése az optikai szálak alapul a jelenség a teljes belső visszaverődés. Ez a jelenség figyelhető meg az átmenet származó sugárzás egy közepes nagy törésmutatójú (n1) a környezetben alacsonyabb index (n2). Abban a beesési szög értéke kisebb, mint a kritikus szög c. ahol c - közötti szög a terjedési irányát a gerenda, és a szokásos, hogy a média felület, a gerenda megtörik összhangban Snell-törvény (gerenda 1). A beesési szög> megfigyelt teljes belső visszaverődés (sugarak 2 és 3). A kritikus szöget által adott sin egy = n2 / n1.
Így, ha a környezet egy nagy törésmutató jelentős távolságra, hogy körülvegyék a közeg kisebb törésmutatójú, lehetőség van arra, hogy a hullámvezető fényterjedés miatt teljes belső visszaverődés.
Átütő rádiófrekvenciás fényterjedés kapcsolódik a nevét az angol tudós Dzh.Tindalya (1820-1893 gg.), Aki megfigyelte a terjedését a vízsugár. Ebben az esetben a teljes belső visszaverődés biztosítja az a tény, hogy a víz egy nagyobb törésmutató (1,33), mint a levegő (1). Meg kell jegyezni, hogy jelenleg prémium Tyndall oda kiemelkedő eredményeket ért el a száloptika.
A fő paraméterek az optikai szál közé mag átmérője a 2a. 2b héj átmérője. a NA numerikus apertúra. optikai veszteségeket, L. hossza típusától függően szálátmérő serd-tseviny lehet 1-től 100 mikron, átmérője a Shell - 100-1000 mikron. Optikai szálakhoz alkalmazott optikai kommunikáció, a mag átmérője 10 mikron, a héj - 125 mikron.
A koncepció a numerikus apertúra társított maximális szöget a gerenda C, amely vezették be a rost és a szál tengelyével, amikor a sugárzás „befogott” hullámvezető struktúra (c = 90 ° - a): A sugarak lépett a fény cső -nál nagyobb szögek c. nem tapasztalnak teljes belső visszaverődés és megtört jelennek meg. A kimeneti optikai szál sugárzás is foglalkozott egy kúp fél szög c.
Optikai veszteségek vagy abszorpciós, általában cm-ben kifejezve -1. Azonban a hagyományos optikai szálak és a kis veszteségek általában kifejezve dB / km. Ebben az esetben a következő összefüggés áll fenn: 1 cm -1 = 4,3 • május 10 dB / km. A L hossza külön hosszúságú szál lehet több tíz kilométer. Vízhullamos szálak tulajdonságai függnek nemcsak a paramétereit, hanem a hullámhossz a szaporítóanyag sugárzás. Ahhoz, hogy ezt vegye figyelembe tényező, a normalizált frekvencia bevitele
V = 2a • NA /. Az érték a normalizált frekvencia, többek között, meghatározza a mód szerkezet a sugárzás a rost. A formai szempontból, a divat - az egyensúlyi állapot elektromágneses mező a rádiófrekvenciás, az egyik megoldás a Maxwell-egyenletek egy adott szerkezet. Hagyományosan a szál mód lehet meghatározni, mint a fény terjedési út. Ha V <2,4, то в световоде распространяется лишь одна мода. Световоды, в которых реализуется такой режим в ближней ИК-области, определяются как одномодовые. При V> 2.4 jelennek magasabb rendű mód. A számos mód a nagy értékű normalizált frekvencia V nagyságrendű 2/2. A „single-mode” némileg önkényes, hiszen csökkenő hullámhossz egymódusú optikai szál válik multimódusú.
Az első fejlődési szakaszban (amíg a korai 70-es években. A XX-edik.) Már a fejlődő száloptikai szálak megvilágítására nehezen elérhető tárgyak, képátvitel, endoszkópia. Volt egy nagy optikai veszteség nagyságrendileg 1-10 dB / m, így a rostok hossza nem haladja meg a néhány métert. Ez azt jelenti, száloptika vette a meglehetősen korlátozott rést, és a fejlesztési lehet leírni, mint lassú. A dolgok kezdtek megváltozni a 60-as. XX században. után irány az lézerek. Ebben a figyelemreméltó felfedezést 1964-ben elnyerte a Nobel-díjat az amerikai tudós Ch.Taunsu (USA) és honfitársaink NG Basov és AM Prohorov. Ez volt a találmány lézerek meghatározva az új alkalmazások az optikai szálak, a legfontosabb az, amely a az optikai jelek átvitelét nagy távolságra, vagy a létrehozása optikai kommunikációs vonalak.
Meg kell jegyezni, hogy az emberiség történetében - ez a történelem távközlés jel tüzek a kommunikáció és a tengerentúli száloptikai kábelek műholdak. A mérföldkő a találmány szerinti volt testvérek Chappe optikai Telegraph töltését 1794 Telegraph g. Optikai lánc képviselt torony távolságban látvány közötti Párizs és francia városban Lille távközzel
225 km. Kódoló által hordozott információt karok meghatározott bizonyos rendelkezések átviteli sebessége körülbelül ötven karakter per óra. 1839-ben, a leghosszabb (1200 km) vonal az optikai távíró Petersburg-Varsó-ben épült.
Meg kell jegyezni, hogy a fejlődés kísérte fejlődését rádió egyre magasabb frekvenciájú elektromágneses sugárzást vagy lerövidítése hullámhosszon. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy minél nagyobb a frekvencia, a sugárzás, az átutalás adatai (vivőfrekvencia), annál nagyobb a frekvencia modulált információs jeleket. Ezért fokozott sebesség információ továbbítására. Ha az első rádió hullámhosszakon használt több száz vagy több ezer méter, majd megy a VHF sávban hullámhossz méter. Egy fém rádiófrekvenciás és koaxiális kábeleket mozoghat a milliméteres tartományban. Az emissziós hullámhossz az optikai tartományban körülbelül 1 mikron (0,001 mm), és ezáltal információt átviteli sebesség nagyobb lehet, mint három nagyságrenddel, mint a koaxiális kábelekre. Ezért lézerek megjelenését egyszerre felkeltette érdeklődését azok alkalmazása tekintetében a kommunikációs vonalakon.
A korai 60-es években. XX században. Kísérleteket végeztünk az optikai kommunikáció a légkörön keresztül lézerrel egy jeladó. Ebben a látszólagos nehézséget ilyen eljárás. A légkör nem egységes optikai sűrűség miatt egyenetlen melegítés, ami további divergencia és görbülete a lézersugár. Ezek az atmoszférikus jelenségek, mint a köd és az eső, szinte csepegés a lézersugár, valamint a madarak, rovarok, esik az optikai útvonal. Mint az egyik lehetséges megoldást javasoltak, hogy egy lencse sort. Ezek a vonalak képviselik sorokat a rendszer lencsék és tükrök. A fény szaporított belül csővezeték védő külső hatásokkal szemben, a lencsék használt korrekció a lézersugár, „fókusz beállítás lehetetlen,” tükör - annak forgását. Nyilvánvaló, hogy egy ilyen rendszer nehézkes, bonyolult és megbízhatatlan. Bármilyen deformálódó csöveket igényel átalakítását az optikai rendszert. Ezért a természetben lettem érdekelt optikai szálak, mint egy közepes továbbításához az optikai jelet.
1966-ban, az amerikai tudósok Kao és Hokhem azt mutatta, hogy a csillapító 1000 dB / km vagy több nem alapvető tulajdonsága az optikai szálak alapján szilícium üveg, és jelenléte miatt benne szennyeződést. Ha az üveget tisztítani a szennyeződésektől lehet beszerezni csillapítás kisebb, mint 20 dB / km. A fő kérdés az volt a technológiai fejlődés biztosít az ilyen szálak. Az egyik az első technológiai „rúd-kézibeszélő” alkalmazták. Az üveg csövet helyezünk egy rúd (rúd-) az üveg egy nagy törésmutatójú, akkor a szerelvény behúzza egy izzószál. Ebben az esetben, csövek és rudak „főtt” a hagyományos technológiákkal. Nagyon hamar világossá vált, hogy ezek a hagyományos technológiák nem képesek biztosítani a szükséges tisztaságát az üveg. Ezért technikákat fejlesztettek alapuló csapadék a gáz fázisban. A nyersanyagokat vettünk kloridok (például a szilícium-tetraklorid SiCl4. Germánium-klorid GeCl4 et al.), Hogy részt magas tisztítási. Magas hőmérsékleten, ezek a vegyületek oxidálódnak oxigénatmoszférában alkotnak egy üveges oxidokat, például oly módon, SiCl4 + O2 = SiO2 + 2Cl2.
Az ábrán egy diagram egyik közös technológiák - módosított kémiai gőzfázisú (MCVD-folyamat), - ha az oxidációs végezzük belsejében a tartócső kvarcüvegből: a szilícium, germánium, és egyéb komponenseket lerakódnak a belső cső felületén. Végére a folyamat cső ostromlott rétegek tovább melegítjük, és összeomlik egy üvegbottal kapunk egy úgynevezett előforma.
A következő fontos állomása a folyamat - kivonat az optikai szál előforma, amely felhasználja különleges verem. Reakcióvázlat rajz ábrán látható. Az előformát helyezünk egy fűtőberendezés és folyamatosan mozgó forró zónában a szálképzés, amelynek átmérője által ellenőrzött speciális eszközök, és szabályozza megváltoztatja a fűtőelem hőmérsékletét. Az úton, hogy elősegítse a dob alkalmazzák az optikai szál külső bevonat. Általában, ez egy polimer, de lehet alkalmazni, hogy egy fém vagy szén bizonyos alkalmazásokban. Attól függ, hogy a minőség a rajz egy szál paraméter erejét. Szabványos optikai szálak képesek ellenállni terhelés 5 kg-ig.
1970-ben, a cég „Corning-Glass” (USA) Az ily módon előállított szálak optikai veszteség 20 dB / km. Az elkövetkező tíz évben, a szint optikai veszteségek le több mint 100-szoros, és elérte az alapvető korlátait 0,16 dB / km-es hullámhosszon 1,55 mikron. Ez megfelel a gyengülő fény 2-szer, a parttól 18 km.
Ezek a technológiai fejlődés adott lendületet a gyors növekedés egy új trend a telekommunikáció - száloptikai kommunikációs vonalak. Az első generációs kommunikációs vonalak használt a jelet fény egy hullámhosszon kibocsátott félvezető lézer. A megfelelő régióban jelgyengülés körülbelül 100-szor, a beillesztett átjátszó vonal, amely egy fotodetektor, és egy félvezető elektronemittáló erősítő reprodukálja az eredeti optikai jel. Napfény dolgozik hullámhossza 1,55 mikron és a fejlesztési kvantum szál erősítő alapuló optikai szálak adalékolt erbium ionokkal, lehetővé tette, hogy egyszerűsítse az átviteli út áramkör és befejezni adatátviteli sebesség akár 40 Gbit / s.
További vizsgálatok azt mutatták, hogy az azonos optikai szál is át adatokat sok hullámhosszon, az úgynevezett hullámhossz osztásos multiplex. Fiber vonal lett eszközöket tartalmazhat kombináló sugárzás különböző lézerek (multiplexer), és ezek elválasztó berendezés (demultiplexer) és ellátó különböző fotodetektor. Lehetőség van, hogy növelje az információ átviteli sebessége egyetlen szál 1-10 Tbit / s.
Mivel a használata száloptikás nem közvetlenül kapcsolódó információ továbbítására. Az egyik ilyen alkalmazás fotoindukáíta Bragg rács. Ezek előállítását alapul az ingatlan a szilícium-dioxid üveg adalékanyagok különböző elemeinek a törésmutató-változás, ha UV sugárzásnak keresztülhalad az oldalsó felületen. És ezek a változások „befagyott” az üveg, és továbbra eltávolítása után az expozíciót. Ha létre egy periodikus változását törésmutató szálszakaszok hossza körülbelül 1 mm és 10 mm, összhangban kapcsolatban B = 2n sugárzás visszaverődés következik be egy keskeny (1 nm 0,1.) Spektrális tartomány (itt B - reflexiós hullámhossz, - időszakban rács). A működési hullámhossz-tartományban a rács időszak körülbelül 0,5 mikron. Ezért, a felvétel rács interferencia eljárások általánosan használják, ha két gerenda lézer van kialakítva a oldalfelületén a fényvezető sugárzó az UV-spektrum.
Fiber Bragg rácsok
Az egyik alkalmazás rost Bragg rácsok alkalmazásuk érzékelő egységében száloptikai érzékelők fizikai mennyiség. Ez az alkalmazás alapja a változás reflexiós hullámhossz rácsok a környezeti hőmérséklet és a mechanikai igénybevétel és deformáció a rost. Továbbá, a rács is használható keskeny sávú spektrális szűrőket. De még inkább elterjedtek, ezek az elemek megtalálhatók üvegszálas lézerek, mint a tükrök kialakítására rezonátor.
Az egyik legkiemelkedőbb és a száloptika fejlesztése és létrehozása üvegszálas lézerek. Egy hagyományos lézer, mint aktív közepes használ egy kristály vagy üveg adalékolt ionokkal elemek, amelyek fényben fluoreszkál optikai gerjesztés. Mivel ezek az elemek legszélesebb körben ritka földfémek - nagy teljesítményű lámpák vagy félvezető sugárzók használt neodímium, itterbium, erbium, stb optikai gerjesztési .. A generációs aktív elem kerül egy üreg képződik két tükör - süket és áttetsző, - amelyen keresztül a sugárzást alakul. Ezek a lézerek szükségeltetheti a tükrök és a merev rögzítés. Ezen kívül, problémák vannak társítva az aktív közeg hőt.
Így elmondható, hogy létrehozása révén száloptikai kommunikációs rendszerekben először az emberiség történetében, műszaki információcsere képességeit meghaladta (jelenleg) igényeit az emberi társadalom. új irányok alapján a gyors fejlődés a száloptika -. üvegszálas lézerek, üvegszálas-optikai érzékelők, orvosi alkalmazások optikai szálak, stb száloptika egy fiatal tudomány. A fejlesztés ezen a területen, hogy egy újabb áttörést jelent a kommunikáció területén, és más területeken az emberi tevékenység.