Статья

Волоконно-оптические световоды и датчики предупредят техногенные катастрофы

Телеком
мобильная версия

Содержание:

  • Волоконно-оптическая эра
  • Волоконно-оптические линии связи
  • Перспективы нового решения
  • Спектральное уплотнение каналов
  • Волоконно-оптические датчики

    Издревле человечество искало возможность передачи информации и обмена сообщениями на расстоянии, но значительный прогресс в этом направлении отмечен только в прошлом веке. Между тем, настоящим прорывом стало появление волоконно-оптической связи. Сегодня благодаря новым технологиям, быстро развивается оптоэлектроника, создаются новые волоконно-оптические датчики, используемые для измерения физических величин. По целому ряду параметров новые устройства превосходят свои электронные аналоги и становятся незаменимы в промышленности и инженерии. Использование подобных датчиков открывает новые перспективы для предупреждения техногенных аварий и катастроф, что особенно актуально сейчас для России, где основные мощности серьезно изношены.

  • Первые попытки наладить быстродействующую связь на расстоянии были предприняты еще в XIX веке с изобретением телеграфа. В 1851 г. был проложен первый телеграфный кабель по дну пролива Ла-Манш, а в 1866 г. впервые заработала телеграфная связь между Европой и Северной Америкой. Тогда скорость передачи составляла всего 17 слов в минуту, то есть около 1 бит в секунду. По прошествии некоторого времени появилась телефонная и радиосвязь.

    [an error occurred while processing this directive]С ростом потребностей человечества в передаче информации увеличивались информационные емкости линий связи, то есть способность передавать большее количество информации за единицу времени. До появления волоконно-оптической связи наиболее эффективными и информационно емкими являлись системы передачи данных в радио- и СВЧ-диапазонах. Однако возможностей каналов радиосвязи не хватало. Человечеству была нужна более надежная и информационно емкая система передачи данных. Развитие всемирной компьютерной сети интернет обострило потребность в резком увеличении обмена информацией. На помощь в решении этой проблемы пришла волоконно-оптическая связь, позволившая на несколько порядков увеличить скорость обмена информацией.

    Изменение относительной информационной емкости систем связи в течение последних 100 лет

    Изменение относительной информационной емкости систем связи в течение последних 100 лет

    Источник: Е.М.Дианов, "От тера-эры к пета-эре"/Вестник российской академии наук, 2000, Том 70, N 11, С. 1010—1015

    Волоконно-оптическая эра

    Началом эры волоконно-оптической связи можно считать 1970 г., когда компанией Corning Glass Inc. был разработан стеклянный волоконный световод с низкими потерями, позволяющий передавать информацию без усилителей и ретрансляторов на расстояния, составляющие несколько километров. А спустя несколько лет удалось снизить потери до предельно низких отметок. Это позволило передавать информацию на 50—100 км без дополнительных устройств усиления.

    Принцип передачи информации по световоду основан на законе полного внутреннего отражения. Пучок света, проходящий по сердцевине волоконного световода, полностью отражается от его оболочки, имеющей меньший показатель преломления

    Распространение света в волоконном световоде

    Распространение света в волоконном световоде

    Современный волоконный световод представляет собой нить из кварцевого стекла диаметром 0,125 мм. Снаружи она закрыта полимерной оболочкой. Центр нити представляет собой сердцевину из стекла с определенными добавками (как правило, германия) для повышения показателя преломления. Диаметр сердцевины, в зависимости от типа световода, может меняться в широких пределах. Так, для локальных волоконно-оптических сетей и волоконных соединителей он составляет 0,05—0,06 мм.

    Для дальних линий связи используется оптическое волокно с диаметром сердцевины 0,004—0,006 мм, то есть 4—6 мкм. Световоды с такой сердцевиной получили название одномодовых световодов. Они используются для передачи информации в основном на большие расстояния. Стоимость изготовления подобного волокнанесколько ниже. Более того, в нем сведен к минимуму такой негативный фактор, как дисперсия, то есть временное уширение передаваемого импульса.

    С другой стороны, световоды с толстой сердцевиной, так называемые многомодовые световоды, более удобны для стыковки. И поэтому они преимущественно используются на коротких расстояниях. Здесь повышенной дисперсией можно пренебречь или, при необходимости, свести ее к минимуму. Также оптическое волокно с толстой сердцевиной имеет ряд специальных применений, например, передача мощного излучения лазеров. Такое волокно, например, используется в медицине.

    Волоконно-оптические линии связи

    Основным преимуществом волоконно-оптических линий связи перед электрическими проводными является выигрыш в скорости передачи информации. Один световод способен легко заменить целый кабель, содержащий несколько сотен проводов. Скорость передачи информации по оптическому каналу сейчас превышает 40 Гбит/с (4×1010 Mбит в секунду). В то же время максимальная скорость передачи информации по проводу составляет доли Гбит/с, и, с увеличением расстояния, она резко снижается.

    Использование сразу нескольких оптических каналов позволяет резко повысить пропускную способность световода. Таким образом, благодаря волоконно-оптической связи удалось повысить скорость передачи информации более чем на 5 порядков. В настоящее время уже удалось получить суммарную информационную емкость одной линии связи более 1 Тбит/с (1012 бит/с).

    Волоконно-оптическая связь также имеет целый ряд других существенных преимуществ. Волоконный кабель не подвержен воздействию различных электромагнитных помех, что обуславливает повышенную надежность оптических линий связи. При этом он легче и компактнее своих медных собратьев. Так, один световод, имеющий диаметр около 1,5 см вместе с бронированной защитной оболочкой, может с успехом заменить телефонный кабель 7,5 см в диаметре, содержащий 900 пар медных проводов. Более того, волоконно-оптический кабель хорошо защищен от несанкционированного доступа, так как не излучает в радиодиапазоне и, соответственно, не позволяет прослушать передаваемую по нему информацию без непосредственного подключения.

    Перспективы нового решения

    Одним из существенных преимуществ волоконного световода является материал, используемый для его создания. Вместо дорогостоящей и ограниченной в запасах меди, большая часть которой уходит на провода, используется диоксид кремния, чьи запасы практически не ограничены. В световоде используется только один дорогостоящий элемент — германий. Его добавляют в незначительных количествах в кварцевое стекло сердцевины. Запасы германия также ограничены, но и эта проблема успешно решается.

    Российскими учеными была разработана технология световода, в структуру которого входят только наиболее распространенные в земной коре элементы — кислород, азот и кремний. Этот световод не только не уступает по основным параметрам своему германиевому собрату, но по отдельным показателям даже превосходит его. В частности, новый световод является более стойким к воздействию ионизирующей радиации. Такие качества необходимы в линиях связи вблизи радиационно-опасных объектов, в авиации и на космических станциях.

    В настоящее время стоимость оборудования и прокладки волоконно-оптических линий связи выше, чем проводных. Однако гигантская информационная емкость и другие преимущества позволяют быстро окупить затраты.

    Сегодня для передачи информации по световоду используются инфракрасные участки спектра в окрестности длин волн 1,3 и 1,55 мкм. Использование первого обусловлено минимумом материальной дисперсии, когда временное уширение передаваемого импульса минимально. Это позволяет передавать информацию по каналу с максимально большой скоростью.

    Длина волны 1,55 мкм соответствует минимуму потерь в световоде. Это, в свою очередь, позволяет передавать информацию без ретрансляторов на максимально большие расстояния, что снижает стоимость обслуживания линий связи. В настоящее время стандартом для промышленных световодов являются потери не более 0,2 дБ/км на длине волны 1,55 мкм и 0,3 дБ/км на длине волны 1,3 мкм.

    Современные технологии производства волоконных световодов позволяют оптимизировать дисперсионные характеристики и совместить длину волны нулевой дисперсии с минимумом потерь в световоде. Поэтому спектральная область 1,55 мкм является наиболее перспективной и многообещающей. Но повсеместный переход на эту длину волны ограничен высокой стоимостью приемно-передающей и усиливающей аппаратуры. Именно поэтому длина волны 1,3 мкм, несмотря на большие потери в оптическом волокне, продолжает активно использоваться.

    Спектральное уплотнение каналов

    По ряду объективных причин скорость передачи одного канала не может увеличиваться до бесконечности. Для дальнейшего увеличения общей пропускной способности волоконно-оптической линии связи необходимо увеличивать общее число независимых каналов с различной несущей длиной волны вблизи 1,55 мкм. Для этих целей используются так называемые системы со спектральным уплотнением каналов.

    Принцип работы системы со спектральным уплотнением каналов заключается в следующем: излучение с разными длинами волн, где каждая длина волны несет свою информацию, вводится в световод через специальное устройство, так называемый мультиплексор. На другом конце расположен демультиплексор — устройство, разделяющее оптические каналы. Благодаря такой схеме по одному световоду можно передавать до нескольких десятков каналов с разностью длины волны между соседними каналами 0,2—0,75 нм (25—100 ГГц).

    Принципиальная схема волоконно-оптической системы связи со спектральным уплотнением каналов

    Принципиальная схема волоконно-оптической системы связи со спектральным уплотнением каналов

    Мультиплексор — специальное устройство, через которое в световод вводится излучение с разными длинами волн
    Демультиплексор — специальное устройство, разделяющее оптические каналы

    Источиник: Е.М.Дианов, "Квантовая электроника", 30, N 8 (2000), С. 659—663.

    В будущем планируется использовать расширенный спектральный диапазон, то есть 1,2—1,7 мкм, что позволит "уместить" в одном световоде несколько сотен и даже тысячи каналов. Его использование пока ограничено возможностями приемо-передающей и усиливающей аппаратуры. Однако уже сейчас ведутся успешные разработки в этом направлении. При планируемой скорости передачи одного канала в 160 Гбит/c общая информационная емкость волоконно-оптической линии составит порядка 400 Тбит/c (4×1014).

    Масштабы развития волоконно-оптической связи действительно поразительны. Так, к концу XX века мировое производство волоконных световодов составляло 60 млн. км в год, то есть каждую минуту производилось более 100 км оптического волокна. Все развитые страны и континенты уже связаны подземными и подводными волоконно-оптическими кабелями. Длины кабелей, проложенных только по дну океанов, хватило бы, чтобы обмотать земной шар шесть раз.

    Волоконно-оптические датчики

    Применение волоконных световодов не ограничивается системами связи. Активно развивается научно-прикладная область, связанная с разработкой волоконно-оптических датчиков различных физических величин. Это, например, датчики радиации, температуры, механических напряжений, давления. И они могут найти применение в самых широких областях промышленности и хозяйственной деятельности.

    Так, с помощью волоконных дозиметров можно легко контролировать целые территории радиационно-опасных объектов, безошибочно определяя даже точечные источники радиации. Принцип работы подобных датчиков основан на радиационно-наведенных потерях в волоконном световоде. Здесь анализируется состояние сразу нескольких световодов, проложенных по контролируемой территории. Специальный анализатор в комплекте с компьютером указывает точное местоположение источника радиации и уровень опасного излучения. Еще недавно аналогов такого прибора не существовало, и, порой, источник излучения приходилось искать с помощью портативного дозиметра, что не только отнимало много времени и материальных ресурсов, но и было смертельно опасно для персонала.

    Принципиальная схема волоконно-оптической дозиметрии радиационно-опасных объектов

    Принципиальная схема волоконно-оптической дозиметрии радиационно-опасных объектов

    Источник: А. Л. Томашук, К. М. Голант, М. О. Забежайлов, "Разработка волоконных световодов для применения при повышенном уровне радиации"/Волоконно-оптические технологии, материалы и устройства, N 4, С. 52—65.

    Волоконно-оптические датчики также используются для контроля механических напряжений в инженерных сооружениях. Так, система датчиков, проложенных непосредственно в конструкции, например, моста или корабля, позволяет легко контролировать любые изменения в состоянии отдельных деталей и узлов. Это позволяет предупредить разрушения и сильные деформации конструкции. Такая система может заменить целую команду инженеров по контролю сооружения, например, моста, здания, памятника и пр. На кораблях и самолетах она также незаменима для безошибочного обнаружения не только повреждений, но и ослаблений конструкции. Это открывает новые перспективы для предупреждения техногенных аварий и катастроф, что особенно актуально сейчас для России, где основные мощности серьезно изношены.

    Волоконно-оптические датчики для контроля температуры обладают целым рядом преимуществ по сравнению с другими типами подобных устройств. Такой датчик незаменим во многих направлениях современной промышленности. Это устройство имеет малый вес и размер — длина чувствительного элемента составляет 2—10 мм при диаметре 0,1—0,2 мм. Его можно применять в недоступных для других датчиков областях, он нечувствителен к электромагнитным помехам.

    Такой датчик может контролироваться на расстоянии до нескольких километров и является абсолютно взрыво- и пожаробезопасным. И, наряду с этими качествами, он обладает высокой чувствительностью. Пока у этих устройств нет аналогов, которые могли бы так же успешно применяться в нефтяной и газовой промышленности, различного рода печах и сушильных установках, например, в СВЧ, турбинах и генераторах, двигателях, различных областях медицины и инженерии, аэронавтике и космонавтике. Последние разработки российских ученых позволили поднять температурный порог использования датчиков до 900°C

    Олег Бутов
    Автор выражает благодарность профессору Константину Голанту за помощь в подготовке материала