Оптичні волокна показують приклад того, як наукові знання переходять в технологічний прогрес, в кінцевому підсумку полегшуючи життя звичайної людини. З волоконної оптикою вже кілька років пов'язані комунікаційні засоби передачі електричних сигналів. Тонкі нитки розміром з людський волосся можуть використовуватися для передачі широкого спектру сигналів, які потрібні для роботи телефону, інтернет-з'єднання, телевізора і т. д. Зрозуміло, завдяки високим експлуатаційним можливостям волоконна оптика знайшла застосування не тільки в побутових потребах.

Технологія передачі сигналу через оптоволокно

Саме по собі використання оптоволокна транслятором сигналів – лише частина розкритого знання, які досліджуються в науковому розділі волоконної оптики. Фахівці цього напряму займаються вивченням передачі інформації та розповсюдження світла, причому в одному контексті, об'єднаному світловодами. Останні використовуються і в якості розповсюджувачів світла, і як передавачі інформації. До речі, на світлодіодах ж ґрунтуються сучасні напрямки розвитку лазерних технологій. У даному ж випадку цікавіше інше питання – яке явище закладено в основу волоконної оптики? Це явище внутрішнього відбиття (повного) електромагнітного випромінювання у границях розділу діелектриків, що мають різні показники заломлення. Причому носієм інформації виступає зовсім не електромагнітний сигнал, а закодований світловий потік. Для розуміння ступеня переваги оптоволоконних кабелів перед традиційними металевими варто ще раз звернутися до їх пропускної здатності. Вже згадана волоконна нитка, товщина якої становить не більше 05 мм, здатна передавати обсяг інформації, який звичайна мідна проводка обслужить тільки при товщині 50 мм

Методи виготовлення оптоволокна

Існує два основних методи, за якими може виготовлятися оптичне волокно. Це техніка екструзії і плавлення з використанням преформ. Перша технологія дозволяє отримувати матеріал низької якості на основі пластиків, тому сьогодні її майже не використовують. Другий метод вважається основним і найбільш ефективним. Преформа – це заготівля, знаходиться в конструкції, призначеної для витяжки ниток. За сучасними стандартами преформи можуть мати висоту до декількох десятків метрів. Зовні це скляний стрижень діаметром близько 10 см, з якого виплавляється серцевина нитки. В процесі виготовлення стрижень разом з сумішшю для волокон нагрівається до високих температур, після чого відбувається формування ниток. Довжина одержуваного матеріалу може досягати кількох кілометрів, хоча діаметр при цьому залишається незмінним – його контролюють автоматизовані регулятори. В залежності від того, де буде застосовуватися волоконна оптика, матеріал для неї попередньо може оброблятися покриттями, що забезпечують хімічну і фізичну захист. Що стосується самих сумішей для ниток, то у їх склад зазвичай входять такі матеріали, як поліімід, акрилат і силікон.

Конструкційні особливості оптоволокна

Центральну частину нитки представляє ядро – та сама серцевина волокна, яка і буде поширювати світло в процесі експлуатації. Ядро характеризується підвищеними показниками заломлення світла, що досягається при використанні легування скла з модифікацією спеціальними добавками. Наприклад, для кварцових волокон використовують типові преломляющие компоненти зразок допанта. У свою чергу, оболонка виконує кілька завдань, головною з яких є безпосередня фізична захист серцевини. Ця частина також забезпечує ефект заломлення, але з мінімальним коефіцієнтом. Межа між двома матеріалами формує световодную структуру, яка не дозволяє основного об'єму світла виходити за межі ядра. Також варто зазначити, що основи волоконної оптики відносять матеріал до різновидів світловодів. Якщо бути точніше, то мова йде про діелектричних хвилеводах, передавальних світлові сигнали.

Різновиди оптичних волокон

Найбільш поширені кварцеві, пластикові і флюоридние волокна. Кварцові нитки ґрунтуються на розплавах оксиду або схожих за структурою матеріалах, серед яких допованих оксид кремнію. Ця основа дозволяє виготовляти гнучкі і довгі волокна, що відрізняються при цьому і високою механічною міцністю. Пластико-волоконна оптика виготовляється з полімерів і, як вже зазначалося, не може забезпечувати високі експлуатаційні показники. Зокрема, такі нитки мають великий відсоток втрати даних, що обмежує їх застосування вимогливих сферах. З іншого боку, цінова доступність пластикових волокон зберігає попит на цей матеріал у напрямках, орієнтованих на побутовий сегмент. Що стосується флюоридних оптичних матеріалів, то їх основа базується на фторцирконатном і фторалюминатном стеклах. Це цілком сучасні і технологічні рішення для забезпечення оптичної комунікації, але вміст важких металів у структурі теж не дозволяє їх використовувати, наприклад, у медичній галузі.

Вимірювальне обладнання для оптоволокна

Найпоширенішим обладнанням, яке використовується в комплектах з оптичним волокном, є датчики та брэгговские решітки. Оптоволоконні датчики – це пристрої, призначені для фіксації деяких значень, що характеризують стан матеріалу в даний момент. Наприклад, різні датчики можуть визначати механічне напруження, температуру, вібрації, тиск та інші величини. Брегівська решітка по своїй функції більш наближена саме до оптичним характеристикам. Вона фіксує в серцевині оптоволокна апериодическое обурення заломлення. Дане вимір дозволяє визначати, наскільки волоконна оптика ефективна при трансляції сигналу в конкретних умовах. Також фахівці застосовують оптичний рефлектометр, реєструючий показники розсіювання і опору.

Оптоволоконні підсилювачі і лазери

Це найбільш прогресивна продукція, яку розробляють на базі технології волоконної оптики. На відміну від інших типів лазерів, використання оптичних ниток дозволяє створювати компактні, і в той же час ефективні апарати. Зокрема, технологія волоконної оптики дозволила замінити класичні лазерні прилади завдяки наступним перевагам:

Ефективність теплового відводу.

Підвищені показники вихідного випромінювання.

Ефективна накачування.

Висока надійність і стабільність роботи лазера.

Невелика маса обладнання.

У свою чергу, підсилювачі в залежності від типу можуть застосовуватися і в домашніх мережевих лініях, підвищуючи робочі показники основної волоконної лінії. Втім, сфери експлуатації оптоволокна варто розглянути детальніше.

Для чого використовується волоконна оптика?

Можна виділити кілька напрямків, у яких задіяні оптоволоконні матеріали. Це сфера побутового застосування, телекомунікаційне обладнання та комп'ютерна техніка, а також вузькоспеціалізовані ніші, серед яких окремі напрямки медицини. Для кожного з цих сегментів проводиться спеціальна волоконна оптика. Застосування в якості типового засоби передачі ТБ - або інтернет-сигналу, наприклад, обмежується дешевими пластиковими моделями середнього якості. Але для лазерного устаткування і дорогих медичних апаратів використовують високоякісні кварцові волокна, також забезпечені додатковими модифікаторами.

Застосування оптоволокна в медицині

Такі волокна можуть використовуватися в медичному обладнанні та інструментах. Стандартна технологія передбачає можливість введення спеціального апарату на преломляемих світлових волокнах, які вже в самому органі тіла можуть передавати сигнал на зовнішню телекамеру. Застосовується волоконна оптика в медицині і як освітлювальний матеріал. Апарати, забезпечені волоконними модулями, що дозволяють безболісно підсвічувати порожнини шлунка, носоглотки і т. д.

Застосування оптоволокна в комп'ютерному обладнанні

Мабуть, це найбільш поширена ніша, у якій знайшло своє місце оптоволокно. Без нього сьогодні вже не обходяться лінії зв'язку між окремими пристроями, які передають інформацію. Зрозуміло, це стосується тих областей, в яких неможливо або недоцільно застосування бездротових з'єднань, які також активно витісняють кабелі як такі. Наприклад, найбільші телекомунікаційні компанії прокладають міжрегіональні магістральні мережі, в яких задіюється волоконна оптика. Використання таких каналів для зв'язку периферійного обладнання та звичайних споживачів телекомунікаційних послуг дозволяє оптимізувати фінансові витрати на обслуговування мережевої інфраструктури, а також підвищує ефективність самої передачі даних.

Недоліки оптоволокна

На жаль, оптичні нитки не обходяться і без слабких місць. Хоча зміст такої проводки обходиться дешевше, не кажучи про відсутність необхідності частого оновлення, вартість самого матеріалу набагато вище тих же металевих аналогів. Крім того, волоконна оптика та її використання в медицині вкрай обмежено із-за вмісту в окремих сплавах свинцевих і цирконієвих домішок, токсично небезпечних для людини. В основному це стосується саме високоякісних скляних моделей, а не пласткових.

Виробництво оптоволокна в Росії

В рамках програми импортзамещения в 2015 р. в Мордовії був відкритий завод «Оптико-волоконні системи». Це єдине підприємство в РФ, яке на даний момент у міру можливості намагається заповнювати потреби вітчизняних споживачів в оптоволокні. До 2015 р. російська промисловість також займалася виготовленням оптоволоконних матеріалів, але тільки в рамках окремих цільових проектів. Ця ж ситуація почасти зберігається і сьогодні. Якщо певної компанії потрібно волоконна оптика та її використання в медицині або у сфері телекомунікаційного забезпечення фінансово виправдано, то є чимало заводів, готових працювати над подібними спецзамовленнями в індивідуальному порядку. Однак серійним випуском тих же кабелів з оптоволокна в найближчому майбутньому буде працювати тільки мордовський завод. Більш того, поки він не в змозі забезпечувати ринок у відповідності з обсягами попиту. Значна частка продукції, як і раніше закуповується в США і Японії. І навіть вітчизняні вироби виробляються на імпортній сировині.

Висновок

Оптоволоконна продукція формується як сегмент ринку вже близько 15-20 років. За ці роки споживач зміг високо оцінити переваги нових кабелів, однак прогрес не стоїть на місці. По мірі підвищення техніко-фізичних якостей розширюються і області застосування матеріалу. Новітнє оптоволокно на основі нанотехнологій, зокрема, активно використовують у нафтогазовидобувній промисловості і оборонному комплексі. У свою чергу, волоконна оптика нелінійна розвиває поки тільки концептуальні, але дуже перспективні напрямки технології. Серед них можна виділити компресійні лазерні імпульси, оптичні солітони, ультракороткі оптичні випромінювання і т. д. Очевидно, що крім теоретичних досліджень з можливими відкриттями і в рамках суто наукового знання, нові розробки дозволять і на ринку зробити нові пропозиції споживачам різного рівня.