Содержание страницы
Оптоволокно – это очень быстрая оптическая передающая среда, позволяющая нам разговаривать с жителями удаленных городов, мгновенно принимать графические файлы, смотреть в онлайне трансляции событий с других континентов.
ВОЛС сегодня дает возможность с помощью света передавать огромные объемы информации, с успехом заменяет привычные провода, кабели и шнуры. Но как человечество додумалось до этого? Кто первым предложил использовать для передачи информации тонкие кварцевые нити и свет? Кому мы должны быть благодарны за высокоскоростной интернет, интерактивное телевидение, медицинские приборы, навигационные и измерительные системы?
День рождения оптоволокна
Чтобы назвать точную дату изобретения оптоволокна, нужно сначала определиться, кого будет правильно назвать автором идеи и первооткрывателем технологии. Дело в том, что заслуга «рождения» таких эпохальных изобретений практически всегда принадлежит не одному человеку. Поэтому давайте окунемся в историю и проследим путь развития оптоволоконного кабеля и линий связи.
Первыми примитивными оптическими системами можно назвать древние морские маяки (например, знаменитый Александрийский маяк). Они подавали световой сигнал, но распространялся он не в специально созданной среде, а просто по воздуху в пределах прямой видимости.
В 1600 году И. Кеплер описал явление полного внутреннего отражения, который позже использовали для изобретения оптоволокна. Именно благодаря Кеплеру стало понятно, что сердцевина (осевая часть) оптоволокна должна иметь показатель преломления выше, чем оболочка.
В 1621 году голландец В. Снеллиус открыл закон преломления лучей на границе двух сред и вывел соотношение между углом падения и углом преломления.
В конце XVIII века К.Шапп изобрел оптический телеграф, который вскоре соединил линией связи протяженностью ок. 225 км Париж и Лилль. Из одного конца в другой сигнал передавался по нему 15 минут.
Примерно в то же время (1794 г) Кулибин построил в России свою аналогичную оптическую «дальнеизвещающую машину».
Еще один шаг к великому открытию человечество сделало в 1826 году, когда Ж. Колладон вместе с Ф. Штурмом экспериментально измерили скорость звука в воде. А затем в 1870 Д. Тиндаль доказал, что свет, благодаря принципу полного внутреннего отражения, можно передавать на расстояние в потоке воды.
В 1934 г Френч запатентовал телефон с оптической кабельной системой. Передатчиком информации в ней служил стеклянный стержень с низким коэффициентом затухания сигнала.
А в 1959 началась современная эра оптической связи. В этот год произошло сразу три важных события: Г.Гулд подал в патентное бюро чертежи оптического квантового генератора (мазера, как тогда называли прибор) и предложил на одной из научных конференций называть его лазером (аббревиатура от англ. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). А Н.Басов описал полупроводниковый лазер.
Поэтому если именно 1959 считать годом рождения оптоволокна, то ему уже исполнилось 60 лет!
Это было только начало эпохи оптической связи. В 1960 были созданы гелий-неоновый и рубиновый, в 61-ом – химический, а в 62-ом – диодный лазер. Но оставалась проблема – нужно было найти подходящую передающую среду для света. Такие диэлектрические волноводы (гибкие стеклянные стержни) появились еще в начале XX века, но они были слишком дорогими и сложными, чтобы могли использоваться повсеместно.
В 66-ом Г. Као и Д. Хокхэм представили миру свою работу, в которой доказали, что затухание сигнала в первых стеклянных стержнях оптоволокна связаны с примесями в материале, а вовсе не с несовершенством технологии. И вскоре Као с группой коллег сделал вывод о том, что в качестве оптической передающей среды нужно использовать кварцевое стекло, в котором уровень затухания минимален.
В 1970 г. компания Corning Incorporated завершила разработки и произвела оптоволокно с коэффициентом затухания менее 20 дБ/км на длине волны 633 нм. А в современных одномодовых световодах коэффициент затухания составляет ок. 0,2 дБ/км при длине волны 1550 нм!
Также было разработано множество мощных оптических приемников и передатчиков, появились точные разъемные соединители, были созданы сварочные аппараты для оптоволокна. Благодаря этому и появились уникальные современные оптоволоконные линии связи с высокой пропускной способностью.
Области применения оптоволокна
Оптическое волокно применяется не только в телекоммуникационных сетях. Оно сегодня имеется в арсенале медиков, рекламщиков, биологов, технологов по свету, пилотов, исследователей и многих других специалистов.
Врачи благодаря гибким оптоволоконным эндоскопам получили возможность проводить точные диагностические исследования и лапароскопические операции, проводить через световод лазерный луч непосредственно в кровоток. Например, с помощью эндоскопа сегодня можно исследовать не только желудок, но и плечевой или коленный сустав.
Есть и технические эндоскопы, с помощью которых можно исследовать внутренние поверхности двигателей, турбин, трубопроводов и др.
Оптоволокно широко применяется в рекламе и освещении, где позволяет создавать порой невероятные декоративные эффекты.
Из него делают обувь и одежду (как сценическую, так и повседневную), которая сейчас становится все более популярной.
Из оптоволокна делают предметы интерьера, например, шторы:
И эффектные занавеси:
Световоды позволяют декорировать мебель и превратить обычный стул в оригинальный элемент интерьера:
А еще оптовлокно используют для создания «Зеркальных лабиринтов» в развлекательных центрах.
Датчики в измерительных системах на основе оптических волокон позволяют определить любые характеристики: скорость, частоту вибраций, смещение, угол наклона, ускорение, скручивание и др.
В навигационных системах используются волоконно-оптические гироскопы, в самолетах – кольцевые лазерные гироскопы.
Оптоволокно применяется для сейсмологического контроля в сейсмометрах. Эти чувствительные приборы позволяют вести мониторинг подвижек грунта
ВОЛС для мониторинга смещений грунта, деформации зданий и сооружений
Недавно появилась идея создать ВОЛС-сейсмологическую систему для проведения акустического зондирования (DAS) нашей планеты. Материал «Fiber-Optic Network Observations of Earthquake Wavefields» был опубликован в научном издании Geophysical Research letters в 2017 году.
В качестве датчиков в ВОЛС-системе для мониторинга сейсмологической ситуации предложено использовать оптоволоконный кабель, проложенный под землей и соединенный в единый массив. Речь идет об уже существующих ВОЛС, которые давно служат телекоммуникационными каналами связи.
Принцип действия такого сейсмометра очень прост. По малейшему изменению лазерных импульсов, распространяющихся в оптоволокне, можно судить о происходящих в толще земли процессах. То есть если ранее стабильная скорость затухания сигнала увеличилась, значит, произошла подвижка грунта, из-за которой растянулся или изогнулся оптоволоконный кабель.
Вот так просто можно превратить ВОЛС в дешевую систему сейсмологического контроля, которая позволит отказаться от настоящих сейсмометров (которые расположены по миру очень неравномерно и не везде справляются со своей функцией), и дополнительных дорогостоящих технологий контроля (в них используется трехмерная съемка с беспилотников, сверхточные GPS-приемники, лидары).
ВОЛС можно применять не только в сейсмологии, но и в строительстве, в сфере мониторинга и обеспечения безопасности. Оптоволоконные линии позволяют следить за подвижками грунта и деформацией мостов, проседанием железнодорожного полотна, состоянием автотрасс, нарушением целостности фундамента зданий.
Например, фазочувствительный оптический рефлектометр, подключенный к оптоволоконной линии связи, позволяет обнаружить трещину в бетонном основании опоры моста, зоны критического напряженно-деформированного состояния в железобетонных конструкциях, смещение скальных пород на объекте, отклонение металлоконструкции от заданных в проекте углов установки. Прибор проводит измерение уровня деформации оптоволокна и обнаруживает возникшую точку напряжения.
Развитие и перспективы оптоволоконных технологий
Работа над совершенствованием существующих и созданием новых типов оптоволокна продолжается. Уже существуют дырчатые волноводы (фотонно-кристаллические), наноструктурированные световоды, многосердцевинное оптоволокно, оптические волокна с увеличенным диаметром модового поля.
В 2012 году была создана первая экспериментальная волоконно-оптическая система со скоростью передачи 1 Петабит/с. А в 2019 специалисты из National Institute of Information and Communications Technology (Япония) привезли на выставку ECOC оптоволоконный сетевой кластер с суммарной пропускной способностью в 1 Пбит/c.
Поэтому можно со всей ответственностью утверждать, что пета-эра фантастических скоростей передачи данных уже наступила. И в ближайшее время интернет станет еще быстрее, безопаснее и удобнее.
