Волоконная оптика и ее применение

Оптические волокна показывают пример того, как научные знания переходят в технологический прогресс, в конечном итоге облегчая жизнь обычного человека. С волоконной оптикой уже несколько лет связаны коммуникационные средства передачи электрических сигналов. Тонкие нити размером с человеческий волос могут использоваться для передачи широкого спектра сигналов, которые требуются для работы телефона, интернет-соединения, телевизора и т. д. Разумеется, благодаря высоким эксплуатационным возможностям волоконная оптика нашла применение не только в бытовых нуждах.

Технология передачи сигнала через оптоволокно

Само по себе использование оптоволокна в качестве транслятора сигналов – лишь часть раскрытого знания, которые исследуются в научном разделе волоконной оптики. Специалисты этого направления занимаются изучением передачи информации и распространения света, причем в одном контексте, объединенном световодами. Последние используются и в качестве распространителей света, и как передатчики информации. К слову, на светодиодах же основываются современные направления развития лазерных технологий. В данном же случае интереснее другой вопрос – какое явление заложено в основу волоконной оптики? Это явление внутреннего отражения (полного) электромагнитного излучения в границах раздела диэлектриков, имеющих различные показатели преломления. Причем носителем информации выступает вовсе не электромагнитный сигнал, а закодированный световой поток. Для понимания степени превосходства оптоволоконных кабелей перед традиционными металлическими стоит еще раз обратиться к их пропускной способности. Уже упомянутая волоконная нить, толщина которой составляет не более 0,5 мм, способна передавать объем информации, который обычная медная проводка обслужит только при толщине в 50 мм.

Методы изготовления оптоволокна

Существует два основных метода, по которым может изготавливаться оптическое волокно. Это техника экструзии и плавление с использованием преформ. Первая технология позволяет получать материал низкого качества на основе пластиков, поэтому сегодня ее практически не используют. Второй метод считается основным и наиболее эффективным. Преформа – это заготовка, находящаяся в конструкции, предназначенной для вытяжки нитей. По современным стандартам преформы могут иметь высоту до нескольких десятков метров. Внешне это стеклянный стержень диаметром порядка 10 см, из которого выплавляется сердцевина нити. В процессе изготовления стержень вместе со смесью для волокон нагревается до высоких температур, после чего происходит формование нитей. Длина получаемого материала может достигать нескольких километров, хотя диаметр при этом остается неизменным – его контролируют автоматизированные регуляторы. В зависимости от того, где будет применяться волоконная оптика, материал для нее предварительно может обрабатываться покрытиями, обеспечивающими химическую и физическую защиту. Что касается самих смесей для нитей, то в их состав обычно входят такие материалы, как полиимид, акрилат и силикон.

Конструкционные особенности оптоволокна

Центральную часть нити представляет ядро – та самая сердцевина волокна, которая и будет распространять свет в процессе эксплуатации. Ядро характеризуется повышенными показателями преломления света, что достигается при использовании легирования стекла с модификацией специальными добавками. Например, для кварцевых волокон используют типичные преломляющие компоненты наподобие допанта. В свою очередь, оболочка выполняет несколько задач, главной из которых является непосредственная физическая защита сердцевины. Данная часть также обеспечивает эффект преломления, но с минимальным коэффициентом. Граница между двумя материалами формирует световодную структуру, которая не позволяет основному объему света выходить за пределы ядра. Также стоит отметить, что основы волоконной оптики относят материал к разновидностям световодов. Если быть точнее, то речь идет о диэлектрических волноводах, передающих световые сигналы.

Разновидности оптических волокон

Наиболее распространены кварцевые, пластиковые и флюоридные волокна. Кварцевые нити основываются на расплавах оксида или похожих по структуре материалах, среди которых допированный оксид кремния. Данная основа позволяет изготавливать гибкие и длинные волокна, отличающиеся при этом и высокой механической прочностью. Пластико-волоконная оптика производится из полимеров и, как уже отмечалось, не может обеспечивать высокие эксплуатационные показатели. В частности, такие нити имеют большой процент потери данных, что ограничивает их применение в требовательных сферах. С другой стороны, ценовая доступность пластиковых волокон сохраняет спрос на этот материал в направлениях, ориентированных на бытовой сегмент. Что касается флюоридных оптических материалов, то их основа базируется на фторцирконатном и фторалюминатном стеклах. Это вполне современные и технологичные решения для обеспечения оптической коммуникации, но содержание тяжелых металлов в структуре тоже не позволяет их использовать, например, в медицинской отрасли.

Измерительное оборудование для оптоволокна

Самым распространенным оборудованием, которое используется в комплектах с оптическим волокном, являются датчики и брэгговские решетки. Оптоволоконные датчики – это устройства, предназначенные для фиксации некоторых значений, характеризующих состояние материала в данный момент. Например, разные датчики могут определять механическое напряжение, температуру, вибрации, давление и другие величины. Брэгговская решетка по своей функции более приближена именно к оптическим характеристикам. Она фиксирует в сердцевине оптоволокна апериодическое возмущение преломления. Данное измерение позволяет определять, насколько волоконная оптика эффективна при трансляции сигнала в конкретных условиях. Также специалисты применяют оптический рефлектометр, регистрирующий показатели рассеивания и сопротивления.

Оптоволоконные усилители и лазеры

Это наиболее прогрессивная продукция, которую разрабатывают на базе технологии волоконной оптики. В отличие от лазеров других типов, использование оптических нитей позволяет создавать компактные и в то же время эффективные аппараты. В частности, технология волоконной оптики позволила заменить классические лазерные приборы благодаря следующим преимуществам:

• Эффективность теплового отвода.
• Повышенные показатели выходного излучения.
• Эффективная накачка.
• Высокая надежность и стабильность работы лазера.
• Небольшая масса оборудования.

В свою очередь, усилители в зависимости от типа могут применяться и в домашних сетевых линиях, повышая рабочие показатели основной волоконной линии. Впрочем, сферы эксплуатации оптоволокна стоит рассмотреть подробнее.

Для чего используется волоконная оптика?

Можно выделить несколько направлений, в которых задействуются оптоволоконные материалы. Это сфера бытового применения, телекоммуникационное оборудование и компьютерная техника, а также узкоспециализированные ниши, среди которых отдельные направления медицины. Для каждого из этих сегментов производится специальная волоконная оптика. Применение в качестве типового средства передачи ТВ- или интернет-сигнала, к примеру, ограничивается дешевыми пластиковыми моделями среднего качества. Но для лазерного оборудования и дорогостоящих медицинских аппаратов используют высококачественные кварцевые волокна, обеспеченные также дополнительными модификаторами.

Применение оптоволокна в медицине

Такие волокна могут использоваться в медицинском оборудовании и инструментах. Стандартная технология предполагает возможность введения специального аппарата на преломляемых световых волокнах, которые уже в самом органе тела могут передавать сигнал на внешнюю телекамеру. Применяется волоконная оптика в медицине и как осветительный материал. Аппараты, снабженные волоконными модулями, позволяют безболезненно подсвечивать полости желудка, носоглотки и т.д.

Применение оптоволокна в компьютерном оборудовании

Пожалуй, это наиболее распространенная ниша, в которой нашло свое место оптоволокно. Без него сегодня уже не обходятся линии связи между отдельными устройствами, передающие информацию. Разумеется, это касается тех областей, в которых невозможно или нецелесообразно применение беспроводных соединений, которые также активно вытесняют кабели как таковые. Например, крупнейшие телекоммуникационные компании прокладывают межрегиональные магистральные сети, в которых задействуется волоконная оптика. Использование таких каналов для связи периферийного оборудования и обычных потребителей телекоммуникационных услуг позволяет оптимизировать финансовые расходы на обслуживание сетевой инфраструктуры, а также повышает эффективность самой передачи данных.

Недостатки оптоволокна

К сожалению, оптические нити не обходятся и без слабых мест. Хотя содержание такой проводки обходится дешевле, не говоря об отсутствии необходимости частого обновления, стоимость самого материала гораздо выше тех же металлических аналогов. Кроме того, волоконная оптика и ее использование в медицине крайне ограничено из-за содержания в отдельных сплавах свинцовых и циркониевых примесей, токсически опасных для человека. В основном это касается именно самых высококачественных стеклянных моделей, а не пластковых.

Производство оптоволокна в России

В рамках программы импортзамещения в 2015 г. в Мордовии был открыт завод «Оптико-волоконные системы». Это единственное предприятие в РФ, которое на данный момент по мере возможности старается восполнять нужды отечественных потребителей в оптоволокне. До 2015 г. российская промышленность также занималась изготовлением оптоволоконных материалов, но только в рамках отдельных целевых проектов. Эта же ситуация отчасти сохраняется и сегодня. Если определенной компании потребуется волоконная оптика и ее использование в медицине или в сфере телекоммуникационного обеспечения будет финансово оправдано, то есть немало заводов, готовых работать над подобными спецзаказами в индивидуальном порядке. Однако серийным выпуском тех же кабелей из оптоволокна в ближайшем будущем будет работать только мордовский завод. Более того, пока и он не в состоянии снабжать рынок в соответствии с объемами спроса. Значительная доля продукции по-прежнему закупается в США и Японии. И даже отечественные изделия производятся на импортном сырье.

Заключение

Оптоволоконная продукция формируется как сегмент рынка уже порядка 15-20 лет. За эти годы потребитель смог высоко оценить достоинства новых кабелей, однако прогресс не стоит на месте. По мере повышения технико-физических качеств расширяются и области применения материала. Новейшее оптоволокно на основе нанотехнологий, в частности, активно используют в нефтегазодобывающей промышленности и оборонном комплексе. В свою очередь, нелинейная волоконная оптика развивает пока только концептуальные, но весьма перспективные направления технологии. Среди них можно выделить компрессионные лазерные импульсы, оптические солитоны, ультракороткие оптические излучения и т.д. Очевидно, что кроме теоретических исследований с возможными открытиями и в рамках сугубо научного знания, новые разработки позволят и на рынке сделать новые предложения потребителям разного уровня.