Глава 1. Оптическое волокно, его классификация и параметры.

1.1 Параметры оптического волокна.

Оптическое волокно (ОВ) представляет собой цилиндрическую двухслойную кварцевую нить, состоящую из сердцевины, оболочки и одного или нескольких защитных покрытий (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Структура ОВ.

Сердцевина и оболочка изготавливаются из плавленого кварца SiO₂. Обычно оболочка ОВ изготавливается из чистого кварца, имеет постоянный показатель преломления n₂ и покрыта защитным слоем из акрилатного лака, а сердцевина для обеспечения требуемого профиля показателя преломления n₁ легируется примесями (GeO₂, P₂O₅), которые увеличивают показатель преломления. Размеры сердцевины и оболочки ОВ стандартизованы. Обозначаются размеры ОВ следующим образом: диаметр сердцевины / диаметр оболочки.

По оптическому волокну осуществляется передача оптических сигналов. Для того, чтобы удержать свет в оптоволокне, показатель преломления в центре ОВ должен быть выше, нежели по краям. Показатель преломления оболочки ОВ —у постоянная величина, в то время как показатель преломления сердцевины может быть как постоянным, так и изменяться по определенному закону, что называется профилем показателя преломления. Это закон изменения показателя преломления в поперечном сечении ОВ. Все ОВ можно также разделить на ОВ со ступенчатым и градиентным профилем показателя преломления (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Ступенчатый и градиентный профили показателя преломления.

На границе сердцевины и оболочки может наблюдаться явление полного внутреннего отражения. Если луч из оптически более плотной среды переходит в менее плотную (то есть , ), при некотором угле падения угол преломления будет равен (луч е на рис. 1.3а). При дальнейшем же увеличении угла падения преломленный луч исчезнет (лучи f и g на рис. 1.3а).

n2
n1
(а)		(б)

Рис. 1.3. Полное внутреннее отражение.

Из закона Снеллиуса () можно получить: . Коэффициент отражения при равен . Это значит, что отражается 100% энергии, то есть потерь на отражение нет. На этом физическом явлении основана работа оптических волокон с точки зрения геометрической оптики (рис. 1.3б).

Оптический сигнал распространяется в сердцевине волокна и на границе с оболочкой испытывает полное внутреннее отражение. Он проникает в оболочку на глубину много меньшую её толщины и, следовательно, не взаимодействует с покрытием из акрилатного лака. Это покрытие необходимо для защиты кварцевой оболочки от механических повреждений и воздействия воды.

1.2 Применение оптических волокон.

Основное применение оптические волокна находят в качестве среды передачи на волоконно-оптических телекоммуникационных сетях различных уровней: от межконтинентальных магистралей до домашних компьютерных сетей.

Рис. 1.4. Волоконно-оптический кабель.

Применение оптических волокон для линий связи обусловлено тем, что оптическое волокно обеспечивает высокую защищенность от несанкционированного доступа, низкое затухание сигнала при передаче информации на большие расстояния и возможность оперировать с чрезвычайно высокими скоростями передачи.

Оптическое волокно может быть использовано как датчик для измерения напряжения, температуры, давления и других параметров. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии дают волоконно-оптическим датчикам преимущество перед традиционными электрическими в определённых областях.

Оптическое волокно используется в гидрофонах в сейсмических или гидролокационных приборах. Созданы системы с гидрофонами, в которых на волоконный кабель приходится более 100 датчиков. Системы с гидрофоновым датчиком используются в нефтедобывающей промышленности, а также флотом некоторых стран.

Волоконно-оптические датчики, измеряющие температуры и давления, разработаны для измерений в нефтяных скважинах. Они хорошо подходят для такой среды, работая при температурах, слишком высоких для полупроводниковых датчиков.

Разработаны устройства дуговой защиты с волоконно-оптическими датчиками, основными преимуществами которых перед традиционными устройствами дуговой защиты являются: высокое быстродействие, нечувствительность к электромагнитным помехам, гибкость и лёгкость монтажа, диэлектрические свойства.

Оптическое волокно применяется в лазерном гироскопе, используемом в  некоторых моделях машин (для навигации). Волоконно-оптические гироскопы применяются в космических кораблях. Специальные оптические волокна используются в интерферометрических датчиках магнитного поля и электрического тока. Это волокна, полученные при вращении заготовки с сильным встроенным двойным лучепреломлением.

Рис. 1.5 Диск фрисби, освещённый оптическим волокном.

Оптические волокна широко используются для освещения. Они используются как световоды в медицинских и других целях, где яркий свет необходимо доставить в труднодоступную зону. В некоторых зданиях оптические волокна направляют солнечный свет с крыши в какую-нибудь часть здания. Волоконно-оптическое освещение также используется в декоративных целях, включая коммерческую рекламу, искусство и искусственные рождественские ёлки.

Оптическое волокно также используется для формирования изображения. Пучок света, передаваемый оптическим волокном, иногда используется совместно с линзами — например, в эндоскопе, который используется для просмотра объектов через маленькое отверстие.

Оптическое волокно используется при конструировании волоконного лазера.