Оптифибра: технология оптического волокна¶

Оптифибра (от др.-греч. ὀπτικός — «зрительный, оптический» и лат. fibra — «волокно») — обобщающее название оптических волокон и кабелей на их основе, применяемых для передачи света и оптического сигнала. В узком смысле термин используется как сокращение от «оптическое волокно» в технической и коммерческой литературе, а также в названиях торговых марок кабельной продукции. Оптифибра представляет собой нить из прозрачного диэлектрика (обычно кварцевого стекла), способную удерживать свет внутри себя за счёт эффекта полного внутреннего отражения и передавать его на большие расстояния с минимальными потерями.

¶История

Явление передачи света по прозрачным стержням и струям жидкости наблюдалось ещё в XIX веке. В 1840-х годах швейцарский физик Жан-Даниэль Колладон демонстрировал удержание света внутри изогнутой струи воды. В 1870 году Джон Тиндаль публично показал, как свет распространяется по струе воды, не выходя за её пределы, — этот опыт считается классической иллюстрацией полного внутреннего отражения.

Практическое развитие технологии началось в 1950-х годах. В 1954 году нидерландский учёный Абрахам ван Хеел, а в 1956 году британец Харольд Хопкинс и индийский физик Нарендра Сингх независимо предложили использовать стеклянные волокна для передачи изображения. Первые волокна имели высокие потери — порядка 1000 дБ/км, что делало их непригодными для дальней связи.

Перелом произошёл в 1966 году, когда Чарльз Као и Джордж Хокхэм из Standard Telecommunication Laboratories опубликовали работу, показавшую, что потери можно снизить до 20 дБ/км, если использовать высокочистое стекло. В 1970 году исследователи Corning Glass Works Роберт Маурер, Дональд Кек и Питер Шульц изготовили волокно с потерями около 17 дБ/км. К 1979 году потери удалось снизить до 0,2 дБ/км на длине волны 1550 нм, что близко к теоретическому пределу для кварцевого стекла. За вклад в разработку волоконно-оптической связи Чарльз Као получил Нобелевскую премию по физике в 2009 году.

¶Устройство и принцип работы

Оптическое волокно состоит из сердцевины (core) и оболочки (cladding), изготовленных из материалов с разным показателем преломления. Сердцевина имеет более высокий показатель преломления, чем оболочка, благодаря чему свет, попавший в неё под достаточно малым углом к оси, испытывает полное внутреннее отражение на границе раздела и распространяется вдоль волокна.

Стандартная геометрия одномодового волокна: диаметр сердцевины около 9 мкм, оболочки — 125 мкм. Многомодовые волокна имеют сердцевину 50 или 62,5 мкм. Снаружи наносится защитное акрилатное покрытие диаметром 250 мкм, предохраняющее стекло от механических повреждений и влаги.

Основные параметры волокна:

• Затухание — потеря мощности сигнала на единицу длины, измеряется в дБ/км. Минимумы затухания кварцевого стекла приходятся на длины волн 1310 и 1550 нм.
• Дисперсия — уширение импульса из-за разных скоростей распространения различных мод или длин волн, ограничивающее полосу пропускания.
• Числовая апертура — характеристика способности волокна захватывать свет.
• Двулучепреломление — различие показателей преломления для разных поляризаций.

¶Классификация

По числу распространяющихся мод различают:

По профилю показателя преломления выделяют волокна со ступенчатым и градиентным профилем. По материалу — кварцевые, кварц-полимерные, полимерные (POF) и волокна из фторидных или халькогенидных стёкол для специальных диапазонов. Отдельно стоят волокна со специальными свойствами: сохраняющие поляризацию (PM), фотонно-кристаллические, легированные эрбием (для усилителей), а также волокна с малыми потерями в инфракрасной области.

¶Применение

Основная область применения оптифибры — волоконно-оптические линии связи. Благодаря низкому затуханию и огромной полосе пропускания они используются для магистральных, городских и внутриобъектовых сетей, соединяя континенты по подводным кабелям. Одно волокно способно передавать терабиты информации в секунду при использовании спектрального уплотнения (WDM).

Другие направления:

• Медицина — эндоскопы, лазерная хирургия, освещение операционного поля.
• Измерительная техника — волоконно-оптические датчики температуры, деформации, давления, акустических и магнитных полей.
• Промышленность — лазерная резка, сварка, передача мощного излучения.
• Освещение и декор — декоративные светильники, подсветка, рекламные конструкции.
• Военная и авиационная техника — помехозащищённые линии связи, гироскопы, буксируемые системы.

¶Преимущества и ограничения

К достоинствам оптифибры относят широкую полосу пропускания, малое затухание, невосприимчивость к электромагнитным помехам, гальваническую развязку, малый вес и высокую защищённость от несанкционированного съёма информации.

Ограничения связаны с хрупкостью стекла, сложностью монтажа (требуются прецизионная сварка и полировка), необходимостью специального оборудования для измерений и относительно высокой стоимостью оконечных устройств. Кроме того, оптическое волокно чувствительно к механическим напряжениям и радиации, а его ремонт в полевых условиях сложнее, чем у медных кабелей.

¶Производство

Изготовление оптического волокна включает несколько этапов. Сначала получают заготовку методом осаждения из газовой фазы (MCVD, OVD, VAD), затем её вытягивают в тонкую нить при температуре около 2000 °C в вытяжной башне. На выходе наносится защитное покрытие, а сама нить наматывается на катушки длиной до нескольких десятков километров. Ключевое требование — высокая чистота материала: примеси на уровне миллиардных долей определяют итоговое затухание.

¶Современное состояние

Оптические волокна остаются основой глобальной телекоммуникационной инфраструктуры. Ведутся работы над волокнами с полой сердцевиной, обещающими ещё меньшее затухание и задержку сигнала, а также над многосердцевинными волокнами для пространственного уплотнения каналов. Развитие технологий оптифибры напрямую связано с ростом пропускной способности интернета и центров обработки данных.