Волоконная оптика настоящее и будущее

1.

ПРОЕКТ
Волоконная оптика: настоящее и будущее
Оптическое волокно – нить из оптически прозрачного материала,
используемая для переноса света внутри себя посредством полного
внутреннего отражения (явление отражения электромагнитных или звуковых
волн от границы раздела двух сред при условии, что волна падает из среды,
где скорость ее распространения меньше).
Волоконная оптика – раздел прикладной науки и машиностроения,
описывающий такие волокна.
Кабели на базе оптических волокон
используются в волоконно-оптической связи, позволяющей передавать
информацию на большие расстояния с более высокой скоростью передачи
данных, чем в электронных средствах связи.
Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) давно занимают одну из
лидирующих позиций на рынке телекоммуникаций. Имея ряд преимуществ
перед другими способами передачи информации (витая пара, коаксиальный
кабель,
беспроводная
связь),
ВОЛС
широко
используются
в
телекоммуникационных сетях разных уровней, а также в промышленности,
энергетике, медицине, системах безопасности, высокопроизводительных
вычислительных системах и во многих других областях.
Принцип передачи света, используемый в волоконной оптике, был
впервые продемонстрирован в XIX веке, но повсеместное применение было
затруднено отсутствием соответствующих технологий.
В 1934 г. Американец Норман Френч получил патент на оптическую
телефонную систему, речевые сигналы в которой передавались при помощи
света по стержням чистого стекла. В 1962 г. Был создан полупроводниковый
лазер и фотодиод, используемые как источник и приемник оптического
сигнала.
Повсеместному переходу на технологии волоконной оптики мешали
высокие затухания в оптическом волокне, поэтому конкуренция с медными

2.

линиями была невозможна. Только к 1970 г. Компании Corning удалось
наладить коммерческое производство волокна с низким затуханием – до 17
дБ/км, через пару лет – до 4 дБ/км. Волокно являлось многомодовым и по нему
передавалось несколько мод света. К 1983 году был освоен выпуск
одномодовых волокон, по которым передавалась одна мода.
В
1988
году
внедрена первая волоконно-
оптическая линия связи между АТС-62, АТС-34, АТС-23, АТС-51, АТС-71
общей протяженностью 20,2 км и уплотненная аппаратурой ИКМ-120
«Соната». 5 октября 1996 года в Минске открыта телефонная АТС нового
поколения на 12 тысяч номеров в микрорайоне Малиновка.
Производство оптических волокон и изделий
Процесс изготовления оптического волокна крайне сложен и требует
большой точности. Технологический процесс проходит в два этапа: 1)
создание заготовки, представляющей собой стержень из выбранного
материала со сформированным профилем показателя преломления, и 2)
вытягивание волокна в вытяжной башне, сопровождающееся покрытием
защитной оболочкой. Существует большое количество различных технологий
создания заготовки оптического волокна, разработка и совершенствование
которых происходит постоянно.
Практическое использование оптического волокна в качестве среды
передачи информации невозможно без дополнительного упрочнения и
защиты.
Волоконно-оптическим
кабелем
называется
конструкция,
включающая в себя одно или множество оптических волокон, а также
различные защитные покрытия, несущие и упрочняющие элементы,
влагозащитные материалы. По причине большого разнообразия областей
применения оптоволокна производители выпускают огромное количество
самых разных волоконно-оптических кабелей, отличающихся конструкцией,
размерами, используемыми материалами и стоимостью.
2

3.

Рис. 1. Волоконно-оптические кабели
Виды оптоволоконных изделий
По внешнему виду оптические волокна ничем не отличаются. То есть,
без соответствующих приборов разобраться какое оптоволокно попало к вам
в руки невозможно. Внешний вид, цвет, да и некоторые свойства оптическим
волокнам придаёт специальное покрытие. Стандартизированы несколько
размеров ОВ.
125 мкм стеклянная (кварцевая) часть, уже в ней самой содержится
светопроводящая сердцевина толщиной зависимой от стандарта. Фотография
кусочков оптоволокна оставшихся после скалывателя.
250 мкм это же стекло покрытое лаковой изоляцией. Лак обычно
используется разноцветный и кроме изоляционных свойств цвет волокна
определяет его условный номер в модуле. (Цветовой счёт волокон,
идентификация по цвету в оптических кабелях). Лаковое покрытие придаёт
дополнительную устойчивость к изгибам. Такое волокно похоже на
рыболовную леску и выдерживает изгибы радиусом в 5мм (Рис. 2, 3, 4)
900 мкм оптоволокно в буферном полимерном покрытии. Используется
при изготовлении шнуров и подключения оптоволоконных кроссов. Цвет
покрытия зачастую определяет тип оптоволокна. (Цветовой счёт в
оптоволоконных кабелях)
3

4.

Рис. 2. Люстра из оптоволокна
Рис. 3. Фигура из оптоволоконных нитей
Рис. 4. Рассеиватели света
4

5.

Оптоволокно в медицинской технике
Неупорядоченный пучок световолокон может использоваться для
подсветки во время операции, а упорядоченный способен передавать
изображение на экран. Как раз на этой функции и построено использование
упорядоченных пучков световолокон как оптического ядра любого эндоскопа
(Рис. 5). Еще одно физическое свойство световолокна также чрезвычайно
важно с точки зрения медицины: волокна очень гибкие и это дает возможность
применять широко лазерный луч в терапии (Рис. 6). Так, практически во всех
видах терапии, при которых лазерная энергия должна проникнуть в
человеческое тело: в пульмонологии, урологии, гинекологии и т.д. световоды
«помогают» лазеру. В тех же случаях, когда лазерную энергию вводят
непосредственно в кровоток, используются катетеры, созданные также из
волокна. Следует отметить, что в медицине применяются исключительно
световоды, созданные из высокочастотного кварцевого стекла, так как
высокая механическая крепость и юстированные оптические свойства дают
возможность регулировать светопотери в оптическом кабеле.
Гибкие световоды используют для изучения биоткани контактно и
бесконтактно. Когда речь идет о бесконтактном применении, лазерное
излучение не касается тканей. Благодаря использованию фокусирующих
элементов, излучение сосредотачивается на очень маленьком участке кожи,
намного меньше диаметра самого световода. Когда же кварцевое волокно
прикасается непосредственно к ткани, обработанной предварительно, такой
метод применения называется контактным. Для того чтобы правильно
использовать световолокно в медицине обязательно иметь квалификацию
хирурга. Однако если не экспериментировать на человеческих органах,
достаточно будет пройти курсы сварки оптоволокна.
Для
эндоскопических
целей
можно
использовать
и
обычные
стекловолокна. Этому способствует чрезвычайно маленький диаметр (около
0,5 мм-1 мм). Если оголенное волокно наложить на биоткань контактным
методом и облучать эту ткань с небольшой мощностью, то возникает четко
5

6.

очерченная зона, в которой излучение лазера полностью поглощается и
вследствие этого ткань точено испаряется. В некоторых случаях на волокно
надевают металлические наконечники или так называемые «нагревающие
зонды». С их помощью лазерное излучение превращается в тепло и попадает
на ткань более направленно через отверстие в зонде. В хирургии применяются
также заостренные сапфировые наконечники, которые, благодаря особой
форме, очень сильно концентрируют излучение и в прямом смысле рассекают
ткань. Конечно, такие операции не могут стоить дешево, ведь стоимость
сварки оптоволокна зависит от многих условий. Закругленные наконечники из
сапфира способствуют равномерному испарению ткани.
Рис. 5. Эндоскоп
Рис. 6. Лазерная терапия
Развитие интернет-коммуникаций посредством волоконной оптики
Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) позволяют передавать
аналоговые и цифровые сигналы на дальние расстояния. Они также
6

7.

используются на малых, более управляемых расстояниях, например, внутри
зданий. Растет количество пользователей Интернет - и у нас быстро строятся
новые центры обработки данных (ЦОД), для взаимосвязи которых
используется оптоволокно. Ведь при передаче сигналов со скоростью 10
Гбит/с затраты аналогичны «медным» линиям, но оптика потребляет
значительно меньше энергии. Сегодня связь по Wi-Fi стала настолько
хорошей, что пользователи ноутбуков, планшетов и телефонов отдали
предпочтение мобильности. И теперь в корпоративных локальных сетях
оптику используют для коммутации с «точками беспроводного доступа».
Действительно, областей применения оптики становится все больше, в
основном, из-за указанных выше преимуществ перед медью. Волоконнооптическое оборудование широко используется в медицинских учреждениях,
например, для коммутации локальных видеосигналов в операционных.
Оптические сигналы не имеют никакого отношения к электричеству, что
идеально в плане обеспечения безопасности пациентов.
Волоконно-оптическим технологиям отдают предпочтение и военные,
так как передаваемые данные трудно или даже невозможно считать извне.
ВОЛС
обеспечивают
высокую
степень
защиты
конфиденциальной
информации, позволяют передавать несжатые данные типа графики с высоким
разрешением и видео с точностью до пикселя. Оптика проникла во все
ключевые направления - системы наблюдения, диспетчерские и ситуационные
центры в зоны с экстремальными условиями эксплуатации.
Оптоволокно
активно
применяется
для
построения
городских,
региональных и федеральных сетей связи, а также для устройства
соединительных линий между городскими АТС. Это связано с быстротой,
надёжностью и высокой пропускной способностью волоконных сетей. Также
посредством применения оптоволоконных каналов существуют кабельное
телевидение,
удалённое
видеонаблюдение,
видеоконференции
и
видеотрансляции, телеметрические и другие информационные системы.
7

8.

В век информационных технологий, когда ни один человек не может
представить свою жизнь без интернета, ему на помощь приходят точки общего
доступа беспроводной связи.
Они могут быть установлены где угодно: дома, в кафе, в учебных
заведениях и даже в парках.
Точка доступа – это устройство, позволяющее создать беспроводную
локальную сеть большого радиуса действия на базе технологии Wi-Fi. По
сфере применения точки доступа обычно делят на домашние (развернутые
пользователем для подключения собственных девайсов к интернету) и
публичные (размещенные в общественных местах и обычно незащищенные
паролем). По принципу организации точки доступа могут создаваться на базе
WiFi-роутера (чаще всего стационарные домашние и публичные хот - споты),
ноутбука или ПК с WiFi-модулем или смартфона. Последний способ ещё
называется тетеринг (от англ. "tether" – "привязывать") и обычно используется
для раздачи мобильного Интернета (GPRS или 3G) по Wi-Fi.
Рис. 7. Схема распределения интернета от источника к потребителям
8