Световоды. Виды и устройство. Материалы и применение

Световоды или волновые каналы – это различные названия одного и того же оптического изделия, используемого для передачи э/м ВЧ колебаний в определенной полосе частот. При их модуляции каким-либо сигналом удается налаживать двухстороннюю связь между различными объектами, расположенными на значительных удалениях один от другого. Помимо этого по таким каналам при необходимости можно с высокой скоростью передавать полезную для потребителя видеоинформацию и световые сигналы.

Какими бывают световоды

В соответствие с особенностями конструкции оптические проводники подразделяются на пленочные и волоконные разновидности. Из-за низкой популярности изделий, изготавливаемых из пленок, основное внимание в технической литературе уделяется второму виду.

Устройство волоконного светового канала

Изделия на основе оптических волокон состоят из следующих основных частей:

Диэлектрический светопроводящий сердечник.
Оболочка из того же вещества со слегка измененной структурой.
Защитное покрытие на основе современных полимерных материалов.

Коэффициенты преломления внутренней диэлектрической оболочки и сердечника подобраны таким образом, чтобы пограничный слой полностью отражал проходящие по световоду лучи. Благодаря этому передаваемая по нему энергия сосредотачивается только в центральной части светопроводящего канала.

Материалы, используемые при изготовлении световодов

В качестве диэлектрического материала для изготовления сердечника и оболочки чаще всего используется стекло, но в отдельных случаях возможно применение современных полимеров. Коэффициент преломления стеклянной оболочки при ее производстве делается постоянным. Тот же показатель для центральной части изделия может меняться в зависимости от места прохождения световых лучей (от их координаты).

Сегодня все большей популярностью пользуются световоды, изготавливаемые на основе кварцевого стекла. Использование этого материала позволяет снизить потери энергии в окнах прозрачности и повысить эффективность работы светового канала. Под окнами прозрачности у световодов понимается набор длин волн, пропускаемых ими с минимальным затуханием.

При применении кварцевого стекла через такие каналы «прокачиваются» э/м ВЧ колебания с различными типами поляризации (c разнонаправленными векторами B и H э/м поля).

Что такое окно прозрачности оптического волокна

Под этим термином понимается фиксированная длина волны, при которой передаваемый сигнал затухает не так сильно, как это происходит с другими частотами. В качестве бытового примера для сравнения больше всего подходит обычное оконное стекло. Если оно достаточно чистое и прозрачное – световые лучи проходят через него без затухания (в сравнении с загрязненными местами).

В волоконных каналах имеется не одно, а сразу несколько окон прозрачности на длинах волн 850 нм, 1300 нм, 1550 нм.

Svetovody 2

Значительно реже встречаются световоды с двумя дополнительными окошками (1580 и 1400 нм). При создании систем волнового уплотнения, как правило, используются волоконные линии, отличающиеся полной прозрачностью во всем инфракрасном диапазоне.

Особенности выбора характеристик диэлектрических световодов

Выбор оптимального значения рабочей длины волны в диэлектрических световых каналах зависит от следующих факторов:

Диаметр сердечника.
Разница в коэффициентах преломления центральной жилы и оболочки.
Режим, в котором работают световоды.

При решении этого вопроса обязательно учитывается тот факт, что волноводные изделия не предназначены для работы на слишком низких частотах. Существует некоторый предел по нижней границе окон прозрачности, достигнув которого колебания начнут быстро затухать.

Обычно этот показатель сравнивается с диаметром используемого сердечника, который должен быть в несколько раз больше длины волны. С учетом этого условия и выбираются размеры светового канала, при изготовлении которого не должно возникнуть каких-либо технологических сложностей.

Классификация по длине волны пропускаемого сигнала

По этому показателю световоды подразделяются на следующие группы:

Одноволновые (одномодовые).
Многомодовые.
Изделия градиентного типа.

Одномодовые световые каналы, как правило, работают на резонансной волне входящего в их состав диэлектрического материала.

Для диэлектриков вообще характерны паразитные явления, проявляющиеся в виде дисперсии пропускаемого через них сигнала. Ее появление объясняется тем, что фазовая скорость распространения основной волны зависит от частоты передаваемых колебаний. Эффект дисперсии заметно сужает диапазон «прокачиваемых» с помощью световода частот и одновременно искажает полезный сигнал.

Так, при подаче на вход световодного изделия прямоугольного импульса правильной формы на выходе можно получить растянутую по фронтам фигуру, лишь отдаленно напоминающую исходную. Небольшие поперечные размеры сердечника одномодовых изделий – причина серьезных технологических сложностей при их серийном изготовлении (особенно – при сочленении смежных узлов). Помимо этого небольшой диаметр этой части не позволяет пропускать через канал сигналы достаточно большой мощности. К их недостаткам также относят необходимость использования для возбуждения световода сравнительно дорогих полупроводниковых лазеров.

Чтобы средства, вложенные в такие изделия, со временем окупились – их используют в основном для передачи больших объемов информации на очень удаленные расстояния (на сотни или даже тысячи километров).

Многомодовые светопроводящие изделия

Для передачи незначительных по объему массивов информации на не слишком удаленные расстояния (десятки километров) применяются многомодовые световоды, работающие с волнами длиной порядка 1000 нм. Изготовление этих оптических изделий обходится значительно дешевле (с меньшими материальными и технологическими издержками).

Увеличение поперечного диаметра сердечника обеспечивает им следующие преимущества:

Возможность работы с относительно дешевыми источниками некогерентного излучения (обычными светодиодами).
Эксплуатационная надежность большеразмерного проводящего канала.
Не такие жесткие требования к качеству сопряжений.

Из-за большого диаметра сердечника многоканального световода по нему без труда «перекачивается» множество волн с длиной порядка 1000 нм. Каждую из них можно представить в виде расходящихся лучей, распространяющихся под углом к границе «сердечник-оболочка».

В случае, когда требуется сохранить незначительный размер сечения центральной части и в то же время снизить показатель дисперсии данного изделия – применяются световоды градиентного типа. Для уменьшения уровня искажений в них используется особый конструктивный прием. Коэффициент преломления его сердечника за счет особой структуры диэлектрика делается переменной величиной, зависящей от поперечной координаты луча. При удалении от центра этот показатель снижается от максимального значения до минимума на границе с оболочкой.

Преимущества и недостатки использования световодов

К достоинствам оптоволоконных каналов любого типа относят:

Высокую пропускную способность.
Низкий уровень потерь полезного сигнала.
Хорошая помехозащищенность.
Длительные сроки эксплуатации.
Безопасность пользования оптоволоконными изделиями.

Низкий уровень помех объясняется тем, что скрытый внутри светопроводящей структуры сигнал надежно защищен от воздействия внешних э/м полей, а безопасность гарантируется отсутствием высоких напряжений.

Единственный серьезный недостаток этих изделий – необходимость использования дорогостоящих внешних устройств (лазеров) для возбуждения одномодовых светопроводящих линий.

Где применяются волоконно-оптические каналы

Такие проводники широко применяются в таких сферах современной жизни, как медицина, научные изыскания, волоконно-оптическая связь, декоративное освещение и промышленное производство. С их помощью осуществляется передача информационных сигналов, а также лазерных лучей и световых импульсов.

В медицине эти изделия используются при проведении особых процедур, связанных с проникновением во внутренние органы человека (например, эндоскопия и лапароскопия). Благодаря их применению удается исследовать состояние организма пациента без хирургического вмешательства и диагностировать возможные заболевания.

При декоративном украшении пространства световоды используются для создания световых инсталляций и шоу. С их помощью дизайнерам по световым эффектам удается создавать сложные композиции с использованием сочетания ярких пятен и теней. В ходе научных исследований эти изделия активно применяются при необходимости обнаружения световых импульсов малой интенсивности. Кроме того, с их помощью удается производить точные измерения в процессе изучения важнейших физических и химических процессов.

Световые оптические линии также применяются в системах оперативной связи, обеспечивая значительную пропускную способность и высокую скорость передачи полезного сигнала. В промышленности они интегрируются в системы освещения и сигнализации различных объектов, что позволяет снизить потребление электроэнергии и повысить их эксплуатационную надежность.