Оптические световоды — устройство, классификация и применение

Содержание

Оптические световоды направляют излучение по заданному каналу: свет удерживается внутри сердцевины полным внутренним отражением на границе с оболочкой, показатель преломления которой ниже, чем у сердцевины. Такое определение закреплено в ГОСТ Р 57139-2016. Конструкция волоконного оптического световода трёхслойная: сердцевина, отражающая оболочка, защитное покрытие (буфер). Сердцевину и оболочку магистральных волокон изготавливают из кварцевого стекла SiO₂, как и другие изделия из кварцевого стекла, а буфер принимает на себя механические нагрузки и закрывает стекло от влаги.

Геометрия телекоммуникационного волокна нормирована по всем трём слоям. Сердцевина одномодового волокна имеет диаметр 8-10 мкм, многомодового 50 или 62,5 мкм, оболочка у обоих типов 125 мкм, диаметр по защитному покрытию 250 мкм. Единый размер оболочки позволяет применять одни и те же коннекторы, сварочные аппараты и инструмент для скола. Затухание одномодового кварцевого волокна на длине волны 1550 нм составляет около 0,2 дБ/км.

Класс оптических световодов шире телекоммуникационного оптоволокна. К нему относят волоконные кварцевые и полимерные конструкции, жидкостные световоды, волоконные жгуты и трубчатые осветительные системы. Различаются они материалом, диаметром светонесущего канала и рабочим спектральным диапазоном, а выбор конкретного типа оптического световода диктует задача: передача данных, доставка лазерной мощности, подсветка рабочей зоны или перенос изображения.

Устройство оптического световода

стройство оптического световода: сердцевина, оболочка и защитное покрытие волокна

Устройство оптического световода сводится к трём коаксиальным слоям с разными функциями, и геометрия каждого из них нормирована.

• Сердцевина (6-10 мкм у одномодового волокна, 50 и 62,5 мкм у многомодового): канал, по которому распространяется излучение; материал типового волокна плавленый кварц SiO₂.
• Отражающая оболочка (125 мкм): слой с пониженным показателем преломления, задающий условие n₁ > n₂ и полное внутреннее отражение на границе с сердцевиной.
• Защитное покрытие (250 мкм по внешнему диаметру): полимерный буфер, принимающий механические нагрузки, сохраняющий исходную прочность волокна и несущий цветовую маркировку.

Принцип работы оптического световода опирается на закон Снелла: n₁sinφ₁ = n₂sinφ₂. Пока показатель преломления сердцевины выше показателя оболочки, для углов падения больше критического преломлённая волна не формируется, и энергия целиком возвращается в сердцевину. При меньших углах часть мощности уходит в оболочку и рассеивается.

Критический угол определяется соотношением показателей преломления двух слоёв и отсчитывается от нормали к границе раздела. Толщину оболочки выбирают так, чтобы поле направляемой волны спадало до нуля внутри стекла, и наружное покрытие не участвовало в переносе излучения.

Профиль показателя преломления задаёт траекторию лучей. В ступенчатом профиле показатель постоянен по сечению сердцевины и скачком падает на границе, поэтому луч идёт ломаной линией с резкими отражениями от оболочки. В градиентном профиле показатель плавно снижается от оси к периферии, луч разворачивается обратно постепенно, и траектория получается волнообразной, без отражений от границы раздела.

Оболочку выполняют из кварцевого стекла с легирующими добавками, снижающими показатель преломления, либо из полимера, нанесённого прямо на кварцевую сердцевину (конструкция hard-clad silica). В оптических световодах с полимерной оболочкой проще разделка торца и ниже цена, кварцевая оболочка выдерживает более высокие рабочие температуры. Покрытие наносят сразу после вытяжки, до контакта волокна с оснасткой: свежая поверхность кварца сохраняет исходную прочность только под слоем полимера. Расцветку вводят в состав наружного слоя покрытия либо наносят отдельным красящим слоем при перемотке.

Схема устройства волоконного световода — сердцевина, оболочка, покрытие и ход луча

Виды оптических световодов

Виды световодов: волоконные, стержневые и полые трубчатые конструкции

Рабочих видов оптических световодов пять, различают их по материалу сердцевины и типу оболочки. Сердцевина из плавленого кварца SiO₂ с кварцевой или полимерной оболочкой даёт основной класс, который закрывает связь, спектрометрию и доставку лазерного излучения. Волокна этого класса делят на одномодовые и многомодовые, а по профилю показателя преломления на ступенчатые и градиентные. Кварцевый световод держит высокие плотности мощности в УФ-диапазоне, а типы и марки кварцевых световодов разобраны отдельно.

Затухание порядка 100-250 дБ/км (типовое значение около 210 дБ/км при 25 °C) держит полимерный световод (POF) на коротких трассах. Сердцевина большого диаметра упрощает ввод излучения от светодиода и снимает требования к точности юстировки разъёма, а разделка сводится к резу и торцовке без сварочного аппарата. Рабочая температура не выше 70-85 °C закрывает для POF горячие зоны и приборные шкафы с сильным нагревом.

Оптическая жидкость, залитая в гибкую трубку с прозрачными торцевыми окнами, работает сердцевиной там, где нужен большой рабочий диаметр и высокая числовая апертура. Жидкостный световод собирает и передаёт широкий пучок УФ-видимого излучения, который в тонкое волокно ввести не удаётся. Гибкость у него выше, чем у жгута сопоставимого сечения, но длина трассы и допустимый нагрев ограничены свойствами самой жидкости.

Регулярная укладка волокон диаметром 0,01-0,02 мм переносит уже не поток, а изображение: каждое волокно несёт свой элемент картинки, и порядок волокон на входном и выходном торцах совпадает. Такие жгуты лежат в основе фиброскопов и технических эндоскопов. Разрешение задаётся числом волокон в сборке, а обрыв отдельных нитей читается на картинке чёрными точками.

Полая трубка с зеркальной внутренней поверхностью ведёт пучок последовательными отражениями от стенок, сплошная прозрачная трубка работает на полном внутреннем отражении. Трубчатые оптические световоды решают одну задачу: довести свет в точку, где источник поставить нельзя (взрывоопасная зона, вакуумный объём, стерильная камера). Информационную нагрузку такой канал не несёт, а сечение измеряется миллиметрами.

Применение оптических световодов по отраслям

Применение оптических световодов в промышленном и лабораторном оборудовании

Десятки и сотни километров трасса передаёт сигнал без промежуточного усиления, и на магистралях это главный аргумент в пользу волокна. Оптические световоды не принимают наводки от силовых кабелей, тяговых подстанций и грозовых разрядов, поэтому линию ведут вдоль ЛЭП и вдоль железнодорожного полотна. Сама линия ничего не излучает наружу. Требования к кварцевому сырью для таких трасс разобраны в материале про применение кварцевых изделий в оптике, лазерной технике и телекоме.

Диаметр отдельного волокна в жгуте фиброскопа составляет 0,01-0,02 мм. Картинка собирается на выходном торце из тысяч точек, а разрешение задаётся числом волокон и точностью их взаимного расположения на обоих торцах жгута. Оптические световоды в жгуте уложены в строгом порядке по всей длине, иначе изображение распадётся.

Применение оптических световодов в медицине разделено на два направления: осветительные (диагностические) и силовые (хирургические). В осветительных схемах работают галогенные, металлогалогенные, ксеноновые и светодиодные источники, а выбор между ними определяется спектром и требуемой цветопередачей в поле зрения врача.

Брэгговская решётка (FBG) отражает строго определённую длину волны, записанную в сердцевине как периодическая модуляция показателя преломления. Растяжение или нагрев смещают спектр отражения, и этот сдвиг пересчитывается в деформацию и температуру. На одной линии размещают несколько решёток с разными длинами волн, что даёт распределённый мониторинг мостов, тоннелей, резервуаров и корпусов агрегатов без прокладки отдельного кабеля к каждой точке.

Оптические световоды из кварцевого стекла пропускают излучение в УФ-диапазоне 190-250 нм, где полимерные и многокомпонентные стёкла уже непрозрачны. Волокно связывает источник, кювету и детектор в жёсткую схему, которая не требует переюстировки при смене пробы или переносе прибора на другой участок лаборатории.

Трубчатые световоды заводят дневной свет с кровли внутрь здания: в помещения без окон, склады, цеха, подземные паркинги. Окупаемость систем солнечного освещения на крупных объектах составляет 3-5 лет за счёт снижения расхода электроэнергии на искусственный свет.

Характеристики оптического световода

NA = √(n₁² − n₂²) для ступенчатого профиля показателя преломления; у телекоммуникационного волокна числовая апертура оптического световода укладывается в 0,18-0,23. От её величины зависят эффективность ввода излучения от лазера или светодиода, потери на микроизгибах, дисперсия импульсов и число распространяющихся мод.

Светодиод излучает в широком телесном угле, и волокно с NA у верхней границы диапазона принимает заметно большую долю его потока, чем волокно с NA у нижней границы; для лазерного источника с узкой диаграммой направленности этот выигрыш почти исчезает.

Большая апертура упрощает стыковку с источником, но одновременно поднимает дисперсию и чувствительность к микроизгибам, поэтому выбор рабочего значения NA сводится к вопросу: что дороже для конкретной линии, простота ввода излучения или сохранение формы импульса на всей трассе?

Число мод задаёт нормированная частота V = (π·d/λ)·NA, где d обозначает диаметр сердцевины. При 0 < V < 2,405 волокно работает в одномодовом режиме, при больших значениях V — в многомодовом. Одномодовые и многомодовые оптические световоды разделяет именно эта граница.

Рэлеевское рассеяние растёт как λ⁻⁴, поэтому затухание оптического волокна снижается с ростом длины волны. На 1550 нм потери одномодового кварцевого волокна держатся около 0,2 дБ/км (типовые значения 0,15-0,25 дБ/км). На 1310 нм стандарт ITU-T G.652 ограничивает затухание величиной не более 0,4 дБ/км, реальные образцы дают 0,3-0,4 дБ/км.

Первое окно осталось за многомодовыми линиями, магистральная аппаратура работает во втором, третьем и четвёртом, пятое окно доступно только на волокнах со сниженным пиком поглощения. Модовая дисперсия расходится на порядки в зависимости от профиля сердцевины и числа мод.

Градиентный профиль выравнивает время прохода лучей с разными траекториями и сокращает модовую дисперсию на порядок относительно ступенчатого; в одномодовом волокне механизм исчезает вместе с высшими модами, и предел скорости передачи задаёт уже хроматическая дисперсия. Нулевая дисперсия стандартного одномодового волокна приходится на λ ≈ 1300-1310 нм.

Минимальный радиус изгиба стандартного волокна ITU-T G.652 обычно составляет 30 мм. Изгибостойкие волокна ITU-T G.657 допускают более плотную укладку: категория A1 сохраняет параметры при радиусе 10 мм, A2 и B2 при 7,5 мм, B3 при 5 мм. Потери на макроизгибе нарастают лавинообразно при приближении к предельному радиусу, а потери на микроизгибах определяются апертурой волокна и качеством укладки в кассете.

Сравнение ступенчатого и градиентного профиля показателя преломления световода

Материал сердцевины и рабочий спектральный диапазон

Кварцевое стекло — основа сердцевины световода для широкого спектрального диапазона

Прозрачность кварцевого стекла охватывает полосу примерно от 170 до 2500 нм, и именно она, а не удобство разделки и монтажа, задаёт выбор материала для сердцевины оптического световода. Положение коротковолнового края зависит от марки стекла по ГОСТ 15130-86: чистота сырья и способ синтеза сдвигают УФ-границу. Границу со стороны ИК определяет содержание ОН-групп: чем их больше, тем раньше начинается поглощение.

Марки разведены по задачам. КУ-1 и КУ-2 — наивысшая чистота и работа в УФ: кварцевое стекло КУ-1 для УФ-оптики не имеет полос поглощения в диапазоне 170-250 нм. КВ применяют как высокочистое стекло общего оптического назначения, КИ рассчитано на ИК, а КУВИ и КУВ отличаются улучшенной радиационно-оптической устойчивостью.

Главное эксплуатационное ограничение УФ-каналов: соляризация кварцевого стекла. При работе ниже ~230 нм в матрице SiO₂ образуются центры окраски с полосой поглощения 214 нм, пропускание волокна падает по мере наработки, причём деградация идёт на той самой длине волны, ради которой канал и ставился. Под источники глубокого УФ берут соляризационно-стойкие волокна.

В видимом диапазоне кварц не единственный вариант. Полимерные оптические световоды из ПММА (POF) дешевле в разделке, но рабочая температура ограничена 70-85 °C. Жидкостные световоды дают широкую апертуру при ограниченной длине, их применяют для сбора излучения ламп в спектрофотометрии.

За пределами 2,5 мкм кварц уступает кристаллам: оптические световоды на основе CaF₂ и ZnSe подбирают по краю пропускания и лучевой стойкости, и по обоим параметрам эти материалы расходятся.

Нормативная база ГОСТов и стандартов ITU-T

Термин «волоконный световод» закреплён в ГОСТ Р 57139-2016: направляющий канал для передачи оптического излучения, состоящий из сердцевины, окружённой отражающим слоем (слоями). В технических заданиях, спецификациях и протоколах испытаний ссылаются именно на это определение, а не на бытовое «оптоволокно». Российские стандарты закрывают терминологию и систему условных обозначений, рекомендации ITU-T описывают геометрию волокна, его затухание и стойкость к изгибу.

Для госзаказа и тендерной документации ссылка на ГОСТ обязательна. Марка кварцевого стекла для оптических элементов световодного тракта задаётся по ГОСТ 15130-86 (сводка марок, допусков и типовых формулировок ТУ собрана в материале ГОСТы и ТУ на кварцевое стекло). Пара ITU-T G.652 и ITU-T G.657 указывается в спецификациях как категория волокна, а ГОСТ Р 54417-2011 задаёт термины для компонентов тракта оптического световода.

Что указывать при заказе оптического световода по чертежу

Что указывать в чертеже при заказе оптического световода на производстве

Рабочий диапазон длин волн задаёт всю остальную конфигурацию: от него зависят марка стекла, тип оболочки и требования к соляризационной стойкости. Чертёж без этого параметра расчёту не поддаётся. Минимальный набор исходных данных выглядит так.

1. Рабочий диапазон длин волн. От него зависят материал сердцевины и марка стекла: для УФ-канала подходит кварцевое стекло КУ-1, КУ-2, КВ, КИ с нужным пропусканием.
2. Диаметры. Сердцевина, оболочка и диаметр по защитному покрытию, все в мкм.
3. Числовая апертура и число мод. Указывают NA и режим работы: одномодовый или многомодовый.
4. Длина изделия и допуски. Строительная длина в мм с полем допуска на каждую позицию.
5. Тип оболочки. Кварцевая или полимерная, от этого зависит технология изготовления.
6. Соляризационная стойкость. Требование прописывают отдельно, если канал работает в УФ.
7. Условия эксплуатации. Температура в °C, минимальный радиус изгиба, окружающая среда и давление в МПа.
8. Комплект документации. Паспорт качества и ссылки на ГОСТ или ТУ: для госзаказа это обязательная часть пакета.

По опыту работы с 2004 года чаще всего в ТЗ пропускают рабочий диапазон длин волн и условия эксплуатации, из-за чего подбор марки стекла приходится согласовывать повторно. Мы ведём полный цикл: подбор материала, проектирование, производство и поставку, изготавливаем по чертежам и техническим заданиям, контролируем качество каждой партии. Поставки идут напрямую, без посредников.

Устройство оптического световода фиксируется на этапе расчёта, поэтому чем подробнее исходные данные, тем меньше итераций до готовой партии. Оптические световоды и другие оптические изделия из кварцевого стекла изготавливаются по чертежам заказчика. Пришлите чертёж или ТЗ на расчёт: подберём материал и геометрию под ваш рабочий диапазон длин волн.

Cводная таблица по выбору оптического световода

Виды оптических световодов сопоставлены по задаче, а не по конструкции.

Решающим при выборе под конкретное применение световодов чаще оказывается рабочий диапазон длин волн: он задаёт материал, а материал ограничивает затухание, предельную мощность и стоимость сборки. Вторыми по критичности идут условия эксплуатации — температура на входном торце и допустимый радиус изгиба.

Частые вопросы

Чем световод отличается от оптоволокна?

Оптоволокно для связи относится к волоконным оптическим световодам как частный случай. ГОСТ Р 57139-2016 определяет волоконный световод как направляющий канал из сердцевины и отражающего слоя, по которому распространяется оптическое излучение. К световодам причисляют также оптические жгуты и трубчатые осветительные конструкции.

Из чего состоит оптический световод?

Конструкция включает три слоя: сердцевину, отражающую оболочку и защитное покрытие. У одномодового телеком-волокна диаметр сердцевины 8-10 мкм, оболочки 125 мкм, диаметр по защитному покрытию 250 мкм.

Почему свет не выходит из оптического световода?

Свет удерживает полное внутреннее отражение на границе сердцевины и оболочки, где n₁ > n₂. Лучи, падающие под углом больше критического, отражаются обратно в сердцевину, что описывает закон Снелла n₁sinφ₁ = n₂sinφ₂.

Чем одномодовый световод отличается от многомодового?

Сердцевина одномодового световода имеет диаметр 8-10 мкм, многомодового 50 или 62,5 мкм. Режим задаёт нормированная частота: при V < 2,405 световод пропускает одну моду. Модовая дисперсия у одномодового отсутствует, у градиентного многомодового достигает 1-4 нс/км, у ступенчатого 20-50 нс/км.

Что такое числовая апертура и на что она влияет?

Числовая апертура оптического световода считается по формуле NA = √(n₁² − n₂²), у телеком-волокна она равна 0,18-0,23. От NA зависят эффективность ввода излучения, потери на микроизгибах, дисперсия и число распространяющихся мод.

Какой материал сердцевины выбрать для УФ-диапазона?

Для ультрафиолета подходит кварцевое стекло марки КУ-1 по ГОСТ 15130-86: у него нет полос поглощения в диапазоне 170-250 нм. Ниже примерно 230 нм развивается соляризация с полосой поглощения 214 нм, поэтому под глубокий УФ подбирают соляризационно-стойкие волокна.

Какой минимальный радиус изгиба допустим?

Стандартное волокно ITU-T G.652 допускает изгиб радиусом от 30 мм. Изгибостойкие волокна ITU-T G.657 работают на меньших радиусах: A1 — 10 мм, A2 и B2 — 7,5 мм, B3 — 5 мм.

Об авторе

Материал подготовлен редакцией ГК «Кварц-Пром». Компания работает с 2004 года, изготавливает оптические изделия из кварцевого стекла по чертежам и техническим заданиям заказчика, контролирует качество каждой партии. ГК «Кварц-Пром» входит в Ассоциацию «Инновационные предприятия Российской Федерации».