Історія:

Передача світла впродовж тонкого силіконового волокна відповідно до закону заломлення, що вперше продемострував Даніель Колладон та Джакіз Бабінет на початку 1840-их років у Парижі. Джон Тиндел ввів показові демонстрації у свої громадські лекції у Лондоні десяток років пізніше. Тиндел також писав про властивості цілковитого внутрішнього відображення у своїй ознайомчій роботі про природу світла в 1870 році:

Практичне застосування, таке як напрямлене освітлення у ротовій порожнині під час стоматологічних процедур, з'явилось на початку XX століття. Передача зображень по трубках була продемострована незалежно радіоекспериментатором Кларенс Ханселом та телевізійним першопроходцем Джоном Логі Бейрдом у 1920 роках. Цей ефект вперше було застосовано для внутрішнього медичного обстеження Гайнріком Ламмом протягом наступного десятиліття. У 1952 році фізик Нерайндер Сайнг Капані провів експеримент, що призвів до винаходу оптичного волоска. Сучасне оптоволокно, де скляна волосина поміщена у прозору оболонку із метою приведення коефіцієнту відбиття до практичного рівня використання, з'явивилося на світ пізніше. Після цього всі розробки сконцентрувалися на жмутах оптичних волокон, пристосованих для передачі зображення. Перший оптичний напівгнучкий гастроскоп був запатентований у 1956 році Безілем Айзек Хиршовицим, Сі Уілбер Пітерзом, та Лоренцом І Куртізом, які були дослідниками Університету Мічигану. У процесі розробки гастроскопу, Куртіз упреше застосував скляний світловод в оболонці. Перші зразки оптоволокна використовували повітря та непрактичні олії і віск, як оболонку із низьким показником заломлення. Незабаром з'явилась ціла низка інших застосувань, пов'язаних із передачею зображень.

Оптоволокна для телекомунікаційних цілей (назразок діагностики лікарем шлунку пацієнта та зв'язку у межах короткого радіусу) було вперше використано в Західній Європі наприкінці 19-ого та на початку 20-ого століття. Особливо примітно, що передача забражень оптоволосками набула популярності на початку 21 століття з причин збільшення попиту в медичній та телевізіній галузях.

Також повідомлялось, що японський учений від Університету Тохоку Юн-ічі Нішазава запропонував застосування оптичного волокна у сфері зв'язку ще у 1963 році, як було зазначено в книжці, надрукованій 2004 року в Індії. Нішазава винайшов інші технології, що сприяли вдосконаленню оптоволоконих комунікацій у більшій мірі. Згодом він відкрив оптичні градієнтні світловоди, як канал передачі світла від напівпровідникового лазера.

Вирішальний момент стався десь 1965 року, коли Чарльз К. Коу та Джордж А. Гокхем з британської компанії Стандарт Телефонс енд Кейблс вперше просунули ідею зменшення загасання в оптоволокні до показника, нижчого від 20 dB/km, таким чином ввівши оптичні кабелі у зону практичного застосування для телекомунікаційних мереж. Вони стверджували, що загасання спричнинялося швидше домішками, здатними бути вилученеми у волокні, доступному в той час, аніж фундаментальним фізичним законом розсіювання. Вони правильно та послідовно теоретизували про зміну властивостей світла у середовищі оптичного волокна, та підказали матеріал, придатний для його виробництва —- кварцове скло із високим показником чистоти. Це відкриття привело Коу до отримання Нобелівської Премії в області фізики у 2009 році.

Принциповий рівень загасання у 20 dB/km був досягнутий вперше в 1970 році дослідниками Робертом Д. Морером, Дональдом Кеком, Пітером С. Шульцом, та Франком Зімаром, що працювали в американській скловарні «Корнік Ґлес Уорк». Тепер це підприємство називається «Корнік Інкорпорейтед». Вони продемострували світловод із рівнем згасання в 17 dB/km, у якому кварцове скло містило домішки титану. Кількома роками пізніше, вони створили оптоволокно з рівнем загасання в 4 dB/km, використовуючи діоксид германію як основу домішки. Настільки низьке загасання надало імпульсу телекомунікаціям з використанням оптичного волокна, та зробило Інтернет доступним. В 1981 році Дженерал Електрик випустив сплавлнеий злиток кварцу, що був придатним для витягування в нитку довжиною 40 km.

Загасання в сучасному оптоволоконому кабелі є значно меншим, ніж у мідному електричному, що вплинуло на розвиток ліній телекомунікаційних передач довжиною 70-150 км. Оптоволоконий підсилювач з домішками ербію, що суттєво зменшує вартість оптоволоконих систем великої довжини шляхом зменшення кількості чи, навіть дуже часто, цілковитого вилучення із схеми оптико-електронних повторювачів, був розроблений Девідом Н. Пейном з Університету Саусхамтона та Емануелем Дезервіром із Бел Лабс у 1986 році. В досконалому волокні застосування якісного скла для серцевини та оболонки підвищує стійкість до процесів старіння. Винахідник Герхард Берніз, що звернув на це увагу, в 1973 році був задіяний німецьким підприємством Скот Глес.

В 1991 році із перспективного щойно виниклого технологічного напрямку фотонних кристалів, було започатковано розробку однойменних світловодів[, що проводили світло завдяки дифракційним явищам на періодичній структурі матеріалу швидше, ніж шляхом повного внутрішнього відбиття. Перше фотонне кристалічне волокно стало комерційно доступним у 2000 році. Таке оптоволокно є потужнішим, ніж звичайне, а його світлопровідні частотні властивості можуть бути контрольовані за потребою з метою покращення ефективності певних застосувань.

Дослідники з дослідницького інституту NICT Network System і компанії Fujikura Ltd, фахівці якої розробили новий тип трехмодового (трехканального) оптичного волокна, провели експеримент, під час якого було досягнуто швидкість передачі інформації в 159 терабіт в секунду на відстань +1045 кілометрів. У звичайних умовах затримки при використанні багатомодового оптоволокна заважають одночасно отримувати високі швидкості передачі і здійснювати передачу на великі відстані. І це досягнення є свого роду демонстрацією нового методу подолання обмежень.

Типи оптоволокна

Одномодове волокно

Оптичні світловоди із діаметром серцевини розміром приблизно одної десятої довжини несучої світлової хвилі, не можуть бути змодельованими використовуючи теорію геометричної оптики. Натомість, вся структура має бути розглянута із точки зору класичної електродинаміки, застосовуючи формули Максвела, що приведені до розв'язку рівняння розповсюдження електромагнітних коливань. Також, такі фізичні явища як спекли, що виникають за рахунок пропагації когерентного випромінення у багатомодових волокнах, теж мають бути обґрунтовані як наслідок теорії Максвела. Назразок оптичного хвилевода, світловод підтримує один чи декілька локалізованих поперечних режимів, у границях яких світло просувається вздовж. Волокно, що працює тільки в одному режимі, називається одномодовим, чи мономодовим. Поведінка оптичних світловодів із значним розміром серцевини теж може бути змодельована за допомогою хвильових рівнянь, що у результаті демонструє їх здатність до пропускання світла у кількох режимах, або модах. Звідси походить і назва типів оптоволокна. Коли серецевина волоска достатньо велика для забезпечення пропагації світлових променів у кількох модах, то математичні розрахунки згідно з теоріями Максвела і геометричної оптики приблизно збігаються.

Аналіз хвилевода показує, що промениста енергія у волокні не повністю зосередженна у межах серцевини. Натомість, найхарактернішим для одномодових світловодів, значна її порція подорожує у привязаній моді у середовищі оболонки як еванесцентна хвиля.

Найбільш розповсюджений тип одномодового волокна має діаметр серцевини 8-10 мікрометрів та спроектований для використання світла близького до інфрачервоного діапазону спектру. Структура моди залежить від довжини хвилі світла, яке задіяне у процесі роботи, таким чином світловод фактично підтримує незначну кількість додаткових мод у видимій частині спектру світла. Багатомодове оптоволокно, для порівняння, виготовлено із діаметром центральної жили поперечного розміру щонайменше ніж 50 мікрометрів, та що найбільше сотні мікрометрів. Нормалізована частота V для волоска має бути не більше ніж нульовий член степеневого ряду функції Бесселя J0 (приблизно 2.405)

Багатомодове волокно

Оптичне волокно із великим діаметром серцевини (більше 10 мікрон) може бути розраховане за допомогою методів геометричної оптики. Таке волокно називається багатомодовим. Сходинкове багатомодовое волокно проводить промені світла вздовж серецевини завдяки ефекту повного внутрішнього відбиття. Промені, що падають на межу розділу компонентів волосини під стрімким кутом, більшим ніж кут повного внутрішнього відбиття, зазнають цілковитого відображення. Промені що стикаються із границею під малим кутом заломлюються у напрямку від серцевини до оболонки, а далі поглинаються і не передають інформацію. Значна цифрова апертура дає світлу пропагуватися вздовж волокна завдяки променям, що розташовані близько до осі, а також під різноманітними кутами, дозволяючи ефективне компонування пучка випромінення у світловоді. Проте попривсе, ця цифрова апертура збільшує дисперсію, оскільки промені що подорожують під різними кутами проходять відрізки шляху різної довжини. Це, у кінцевому результаті, впливає на кількість часу необхідного для перетину загальної заданої довжини кабелю.

Градієнтне волокно

У градієнтному волокні показник заломлення у серцевині зменшується поступово від осі до зовнішньої стінки волокна. Це змушує промені світла вигинатися дугою при наближенні до оболонки, на відміну від несподіваного відображення на межі розділу компонентів волокна. Як наслідок, дугоподібний шлях просування зменшує багатовекторну дисперсію розповсюдження, тому що промені під значними кутами проходять через ділянку серцевини із малим показником заломлення швидше, ніж під великим. Профіль градієнту заломлення вибирається так, щоб мінімізувати різницю між продовжною швидкістю пропагації променів різної векторної направленості у волокні. Ідеальний профіль градієнту заломлення є дуже близький до параболічного при співвідношенні самої величини та відстані до осі.

Поляризаційно-стабільне волокно

Поляризаційно-стабільні волокна мають спеціальні застосування, як оптоволоконе зондування, інтерферометрія та розповсюдження квантумних кодів. Загально прийнятно, що вони також використовуються для сполучення лазерного джерела світла та модулятора, оскільки сам модулятор вимагає подачі поляризованого світла. Проте, для зв'язку на довгих відстаннях поляризаціно-стабільні волокна не експлуатуються, через підвищений рівень загасання сигналу в порівнянні із одномодовими волокнами.

Поляризаційно-стабільне оптоволокно не поляризує світло на зразок поляризатора. Скоріше, воно утримує існуючу поляризацію лінійно поляризованого світлового променя, що вводиться у волокно за умови правильної орієнтації. Якщо поляризація вхідного світлового потоку не налаштована до ладу із добре вираженим пропуским напрямком в самому світловоді, то вихідний сигнал буде визначатися в межах лінійної та кругової поляризації. Такі параметри подачі світла дають на виході еліптичну поляризацію в загальному випадку. Проте, точні її характеристики залежатимуть від зміни температури та стресу оптоволокна.

Фотонно-кристалічне волокно

Фотонно-кристалічне оптоволокно — новий клас оптичних світловодів, які працюють завдяки властивостям фотонних кристалів. Через неможливість локалізування світла в порожнині пустотілої серцевини та відсутність будь-яких схожих властивостей в традиційному оптоволокні, фотонно-кристалічні світловоди зараз набувають широкого застосування в оптичних комунікаціях, волоконних лазерах, нелінійних оптичних пристроях, трансляції високої потужності, надчутливих газових датчиках та інших пристроях.

Фотонно-кристалічні волокна поділяються на дві категорії згідно з механізмом взаємодії зі світлом. Ті, що мають суцільну серцевину, чи серцевину із показником заломлення вищим, ніж мікроструктурна оболонка, можуть оперувати згідно з тим самим принципом, що і звичайне оптоволокно. Проте, вони матимуть значнішу різницю показників заломлення серцевини та оболонки, що сприятиме ефективнішій локалізації випромінювання у випадку нелінійних оптичних пристроїв. Інша категорія — це волокно із фотонно-спектральним зазором, в якому світло утримується завдяки мікроструктурній оболонці. Якщо спектральний зазор підібраний правильно, то світловим потоком можна керувати в частині серцевини із низьким показником заломлення, або навіть цілковито пустотілій, заповненій повітрям. Спектрально-зазорні волокна із відсутньою серцевиною потенційно можуть вирішити проблему, створену обмеженнями доступності необхідних матеріалів для виготовлення світловоду. Для прикладу, можна створити волокно, що проводить світло із довжиною хвилі, для якої прозорі матеріали відсутні. Ще одне потенційно важливе застосування — динамічне вприскування речовини у світловод. В такий спосіб можна аналізувати присутність якоїсь субстанції у вибраному зразку.

Виробництво

Матеріали

Скляне оптоволокно майже завжди виробляється із діоксиду кремнію, проте деякі інші матеріали, як флуорид цирконію, алюмінію та халькогеніди, а також кристалічні матеріали на зразок сапфірів, теж використовується для довгохвильових інфрачервоних та інших специфічних застосувань. Діоксид кремнієве та флуоридне скло зазвичай мають показник заломлення десь близько 1,5, але деякі інші матеріали можуть досягати цього показника аж до 3. Типово, різниця цих величин матеріалів серцевини та оболонки волоска є меншою одного процента. Пластикове оптоволокно береться за основному виготовлення сходинкових мультимодових світловодів із діаметром серцевини 0.5 мм, чи більше. Пластикове волокно демонструє більший коєфіцієнт загасання у порівняні із скляним, десь на рівні 1 dB/m чи більше. Такий показник є обмежуючим фактором у прикладних системах на базі світловодів із цього матеріалу.

Діоксид кремнію

Діоксид кремнію проявляє досить добрі характеристики пропускання світла в об'ємі широкої смуги променистого випромінення. У царині близького інфрачервого спектру, десь близько 1.5 мікрометрів, діоксид кремнію має дуже малу складову поглинання та розсіювання, на рівні 0.2 dB/km. Висока прозорість діапазону 1.4 мікрометрів досягнута завдяки малій концентрації гідроксильних груп (ОН). Відповідно, висока концентрація гідроксильних груп покращує передачу сигналу із використанням ультрафіолетових хвиль

Діоксид кремнію також добре витягується у волокно при відносно невисокій температурі, та має прийнятні показники склування. Іншими первагами є спаювання та колення. Такі скляні світловоди також витримують значні механічні деформації згину та розтягу, зауваживши що жила не дуже товста та поверхня добре підготовлена під час обробки. Навіть звичайнісінький злом кінця волокна може створити гарну плоску поверхню із прийнятними оптичними показниками. Діоксид кремнію — відносно хімічно інертний матеріал, та не є гігроскопічним.

Кремнієве скло може бути леговане розмаїтими матеріалами. Одним із намірів легування є мета збільшення індексу заломлення. Наприклад, для цього використовується діоксид германію чи оксид алюмінію. Навпаки, для зменшення цього індексу може використовуватися фтор чи оксид бору. Легування іонами, здатним генерувати когерентне випромінення, дозволяє отримати активне волокно, що застосовуватиметься як підсилювач або лазер. Зазвичай обоє, серцевина та оболонка, легуються, так-що по-суті є тотожними сполуками: алюмосилікатом, германосилікатом, фосфоросилікатом чи боросилікатним склом.

Як виняток, для активного волокна чисте скло — не дуже вдалий утримувач, тому що воно має низьку розчинність для лужноземельних іонів. Це може стати завадою із огляду на їх роювання. Алюмосилісат є більш придатним у цьому випадку.

Діоксид кремнієве волокно анотує високий поріг оптичного пошкодження. Така властивість підкріплює низьку тенденцію до розпаду під впливом когерентної індукції. Це важливо для волоконних підсилювачів особливо у застосуваннях короткої пульсації.

Флуориди

Флуоридне скло — це безоксидний клас скла оптичної якості, що складається із флуоридів розмаїтих металів. У зв'язку із їх низькою в'язкістю, дуже важко повністю уникнути кристалізації під час процесу обробки, як, наприклад, витягування із пластичної заготовки. Таким чином, навіть якщо флуоридне скло важких металів (ФСВМ) проявляє дуже незначне оптичне загасання, його все-таки складно виготовляти, є надзвичайно ламкими і йому властива гігроскопічність. Найкращим показником є відсутність смуг поглинання пов'язаних із гідроксильним групами, котрі мають місце буквально у всякому оксидному склі.

Прикладом флуоридного скла важких металів є група ZBLAN-скла, що складається із флуоридів цирконію, барію, лантану, алюмінію та натрію. Їх основним технологічним застосуванням є отичний хвилевід у планарній та волоконній формах. Вони особливо сприятливі у центральній ділянці інфрачервоного діапазону від 2000 до 5000 nm.

ФСВМ початково було задуманим для використання в оптичних хвилеводах, тому що їх специфічні втрати у волокні працюючому у середині інфрачервоної смуги нижчі діоксиду кремнію, котре прозоре лише близько 2 мікрометрів. Однак, такі малі втрати ніколи не були використані на практиці, та ламкість і значна вартість флуоридних світловодів не зробила їх ідеальними кандидатами. Пізніше була винайдена придатність цих волокон до реальних застосувань у других сферах. Такими є інфрачервона спектроскопія середньої ділянки смуги, волоконно-оптичні давачі, термометрія та обробка зображень. Також, флуоридові світловоди можуть бути використані як медійні світловоди для ітріум-алюміній-гранатового (YAG) лазера на довжині хвилі 2.9 мікрометрів, що вимагається для медичних застосувань, для прикладу в офтальмології та стоматології.

Фосфатне скло

Фосфатне скло є представником класу оптичного скла, що складається із сполук метафосфатів різномаїтних металів. Замість SiO4-тетраедра, що спостерігається у діоксидно кремнієвому матеріалі, основними елементами структури якого є оксид фосфору (P2O5), що кристалізується у чотирьох відмінних формах. Найвідомішою є поліморфічна форма за участю молекули P4O10.

Застосування

Оптоволокна широко використовуються для освітлення. Вони застосовуються як світлопроводи в медичних та інших цілях, де яскраве освітлення необхідно завести в важкодоступну зону. У будівлях оптоволокна йдуть у вжиток для позначення маршруту з даху в іншу частину будівлі. Оптоволоконне освітлення також вживається в декоративних цілях, включаючи комерційну рекламу, мистецтво і штучні ялинки.

За допомогою оптоволокна формується зображення. Когерентний пучок, що проводиться оптоволокном, іноді застосовуються разом з лінзами — наприклад, в ендоскопі, за допомогою якого проглядаються об'єкти через маленький отвір.

Оптоволоконний зв'язок

Оптоволоконна система передачі даних складається з трьох основних компонентів: джерела світла, носія, по якому поширюється світловий сигнал, та приймача сигналу, або детектора. Світловий імпульс приймають за одиницю, а відсутність імпульса — за нуль. Світло поширюється в надтонкому скляному волокні. При попаданні на детектор світла, генерується електричний імпульс. Приєднавши до одного кінця оптичного волокна джерело світла, а до іншого — детектор, ми отримаємо однонаправлену систему передачі даних.

Оптоволокно може експлуатуватися, як середовище для передачі великих обсягів закодованої у світлі інформації на значні відстані. Магістральні оптоволоконні мережі зв'язку рівня країни і міста майже виключно будуються із використанням оптоволоконних систем зв'язку. Значні переваги застосування для побудови інформаційних мереж задіюються при використанні повністю оптичних комп'ютерних мереж, зв'язку між сегментами мідних комп'ютерних мереж на різних поверхах, будинках, районах тощо. Впровадження оптоволоконних рішень дозволяє значно збільшити довжину каналу зв'язку та обсяг переданої інформації у порівнянні із медіа на базі металічних провідників. Виняткові властивості волоконних світловодів по електромагнітній сумісності (EMC) дозволяють будувати лінії зв'язку при наявності значних елетромагнітних полів, а також виступають технічним рішенням для побудування захищених мереж із кодуванням інформації.

Попри те, що оптичні волокна можуть бути зроблені із прозорих полімерних матеріалів, широкого застосування набули саме волокна виготовлені зі скла. У мережах зв'язку використовуються одномодові та багатомодові світловоди. Застосування одномодових оптоволокон, передавачів, приймачів і з'єднувальних компонентів зазвичай коштують дорожче, ніж на базі мультимодових компонентів внаслідок їх технологічних особливостей виготовлення, сфери їх практичного використання, та маркетингового позиціювання.

Оптоволоконний давач

Оптоволокно може бути використане як давач для вимірювання напруги, температури, тиску і інших параметрів. Малий розмір і фактична відсутність необхідності в електричній енергії, дає оптоволоконним давачам перевагу перед традиційними електричними в певних областях.

Оптоволокно використовується в гідрофонах в сейсмічних або гідролокаційних приладах. Створені системи з гідрофонами, в яких на волоконний кабель припадає більше 100 давачів. Системи з гідрофоновим давачем використовуються у нафтовидобувній промисловості, а також флотом деяких країн. Німецька компанія Sennheiser розробила лазерний мікроскоп, що працює з лазером і оптоволокном.

Оптоволоконні давачі, що вимірюють температури і тиск, розроблені для вимірювань в нафтових свердловинах. Оптоволоконні датчики добре підходять для такого середовища, працюючи при температурах, дуже високих для напівпровідникових давачів (Оптоволоконне вимірювання температури).

Інше застосування оптоволокна — як давач у лазерному гіроскопі, який використовується в Boeing 767 і в деяких моделях машин (для навігації).

Оптоволокно застосовується в охоронній сигналізації на особливо важливих об'єктах (наприклад ядерна зброя). Коли зловмисник намагається перемістити боєголовку, умови проходження світла через світлопровід змінюються, і спрацьовує сигналізація.