Serat optik: dulu dan sekarang

Pada tahun 1966, Charles Kao Kuen , seorang ilmuwan dan penduduk asli Tiongkok, mempresentasikan hasil penelitiannya sendiri kepada dunia. Pesan utama perkembangannya adalah bahwa komunikasi optik dapat diatur menggunakan serat kaca. Dalam karyanya, Kao memperkenalkan dunia pada fitur desain unik serat dan materialnya. Ilmuwan riset dapat dianggap sebagai dasar telekomunikasi serat optik saat ini. Penyebutan pertama istilah "serat optik" pertama kali digunakan pada tahun 1956 oleh NS Kapany dari Amerika Serikat.

Saat ini, teknologi komunikasi serat optik telah dengan kuat menembus kehidupan kita sehingga kita tidak lagi melihat sesuatu yang mengejutkan di dalamnya dan merasakan kehadiran mereka serta keberadaan sistem pasokan air di gedung apartemen. Oleh karena itu, dalam publikasi ini saya ingin berbicara lebih banyak tentang optik dan menceritakan beberapa fakta menarik tentang teknologi yang menjadi dasar komunikasi modern berkecepatan tinggi.

Sedikit sejarah

Selama sejarah pengembangan serat optik, banyak penelitian dan eksperimen menarik telah dilakukan. Mari kita lihat beberapa saja.

Fisikawan Inggris John Tyndall melakukan percobaan dengan pantulan sinar cahaya di aliran air, deskripsi yang ia rekam dalam bukunya.

"Jika sudut di mana sinar cahaya jatuh dari air ke udara (yaitu, sudut antara permukaan dua media dan tegak lurus) melebihi 48 derajat, maka sinar tidak keluar dari air - itu sepenuhnya tercermin dari batas air-udara ... Jika sudut terkecil penurunan di mana pantulan internal penuh diamati, disebut sudut pembatas, maka untuk air akan sama dengan 48 ° 27 ", untuk kaca tak berwarna (kaca batu) - 38 ° 41", dan untuk berlian - 23 ° 42, "tulis Tyndall.



Pengaturan eksperimental John Tyndall

Eksperimen ini, jika diinginkan, dapat dilakukan di rumah oleh siapa saja. Laser pointer yang Anda butuhkan untuk bersinar pada sudut yang berbeda di kamar mandi dengan aliran air dari keran. Pada sudut tertentu, sinar cahaya akan sepenuhnya tercermin dalam aliran air.





Eksperimen serupa dapat dilakukan dengan senter. Untuk melakukan ini, dalam botol plastik transparan Anda perlu membuat lubang di samping. Kami melewati air melalui botol dan mulai menyinari lentera di sisi berlawanan dari botol. Jika kita mengganti telapak tangan, maka titik cahaya akan terpantul padanya.





Pembicaraan aktif tentang LED serat dimulai pada tahun lima puluhan abad terakhir. Kemudian mereka mulai membuatnya dari berbagai jenis bahan transparan. Tetapi transparansi bahan-bahan itu tidak cukup untuk konduktivitas cahaya yang baik.

Pada tahun-tahun itu, Uni Soviet bahkan melampaui Barat di bidang serat optik. Jalur komunikasi optik pertama diluncurkan di Uni Soviet pada tahun 1977 di Zelenograd. Saluran itu dibuat untuk menghubungkan Zona Industri Utara dan administrasi kota. Itu diproduksi pada kabel optik yang dikembangkan oleh biro desain khusus industri kabel (OKB KP), yang merupakan bagian dari Radioelectronic Technologies Concern (KRET) dari Rostec State Corporation, yang berspesialisasi dalam produksi kabel dan rakitan kabel.

Pada Mei 1981, Uni Soviet mengeluarkan Keputusan Komite Sentral CPSU dan Dewan Menteri Uni Soviet "Tentang pengembangan dan implementasi sistem komunikasi serat optik dan transfer informasi." Acara ini merupakan dorongan untuk pengembangan komunikasi serat optik dan peningkatan jumlah perkembangan di bidang ini.

Pada awal 60-an, pertama di Uni Soviet, dan kemudian di Barat, para ilmuwan sampai pada kesimpulan bahwa penyerapan cahaya dari kaca sangat tergantung pada bahan pewarna dan produk korosi refraktori. Telah dibuktikan secara eksperimental bahwa penyerapan cahaya dari kaca yang benar-benar bersih sangat kecil sehingga berada di luar sensitivitas alat ukur.
Pada tahun 1966, sekelompok ilmuwan yang dipimpin oleh Charles Kuen Kao sampai pada kesimpulan bahwa kaca kuarsa akan menjadi bahan yang paling cocok untuk komunikasi serat optik. Bahkan kemudian, Kao percaya bahwa dengan bantuan optik akan mungkin untuk mengirimkan informasi dan segera jenis komunikasi ini akan menggantikan transmisi sinyal melalui kabel tembaga.

Tiga tahun kemudian, Kao menerima serat dengan koefisien atenuasi 4 dB / km. Hasil ini adalah contoh pertama dari kaca ultra-bening. Setahun kemudian, Corning Incorporated memproduksi serat dengan profil indeks bias bertahap dan mencapai faktor redaman 20 dB / km pada panjang gelombang 633 nm. Untuk pertama kalinya, serat kuarsa mentransmisikan sinar hingga 2 kilometer jauhnya.

Setuju dengan kecepatan yang sama, transfer data kuantum sedang berkembang sekarang. Sedikit, tapi sedikit. Sebagai percobaan dan penggunaan komersial jarak pendek.

Di mana serat digunakan selain telekomunikasi?

Saat ini, serat digunakan di banyak industri selain telekomunikasi. Ini adalah mesin sinar-X, di mana ia menyediakan isolasi galvanik antara sumber tegangan tinggi dan peralatan kontrol tegangan rendah. Jadi staf dan pasien menerima isolasi dari bagian peralatan bertegangan tinggi. Serat ini digunakan dalam gardu induk gardu listrik sebagai sensor sistem perlindungan.

Serat optik yang luas digunakan dalam berbagai jenis sistem pengukuran, di mana tidak mungkin untuk menggunakan peralatan listrik tradisional. Misalnya, dalam sistem pengukuran suhu di mesin jet pesawat terbang, di perangkat MRI (perangkat medis tomografi untuk memeriksa organ dalam, termasuk otak), dll. Sensor berdasarkan serat optik dapat mengukur frekuensi getaran, rotasi, perpindahan, kecepatan dan percepatan, torsi, puntiran dan parameter lainnya.

Saat ini, giroskop berdasarkan serat optik digunakan, yang beroperasi berdasarkan efek Sagnac. Giroskop semacam itu tidak memiliki bagian yang bergerak, yang membuatnya sangat andal. Terlepas dari kenyataan bahwa sistem navigasi modern menggunakan sejumlah besar sensor yang berbeda, berkat posisi objek yang ditentukan, sistem yang paling independen dapat dibuat hanya berdasarkan giroskop serat optik.
Optik banyak digunakan dalam alarm pencuri. Sistem keamanan semacam itu diatur sebagai berikut: ketika seorang penyerang menembus ke dalam wilayah itu, kondisi untuk lewatnya cahaya melalui perubahan serat, dan alarm dipicu.



Contoh penerapan giroskop serat optik



Modul pengukuran inersia serat optik tiga sumbu seri ASTRIX yang diproduksi oleh AIRBUS DEFENSE & SPACE; Modulator LiNb03 terintegrasi dalam sensor di setiap arah

Serat aktif digunakan untuk keperluan dekoratif, sebagai hiasan untuk liburan, dalam seni dan iklan.







Jenis serat optik baru terus dikembangkan. Misalnya, serat kristal fotonik. Distribusi cahaya di dalamnya didasarkan pada prinsip yang sedikit berbeda. Serat tersebut dapat digunakan sebagai sensor cair, kimia dan gas. Selain itu, dapat digunakan untuk mengangkut radiasi yang kuat untuk keperluan industri atau medis.

Laser serat dengan beberapa puluh kilowatt daya radiasi kontinu tidak lagi baru. Senjata berbasis laser 6-serat 5,5 kW diuji di Angkatan Laut AS pada tahun 2014. Laser serat memotong logam dan beton. Misalnya, mesin pemotong logam IPG Photonics memiliki kekuatan 100 kW.



Pengembangan serat optik sedang berlangsung, dengan bantuan yang memungkinkan untuk mentransmisikan kekuatan radiasi laser dari beberapa kilowatt. Secara teori, transmisi radiasi dengan kekuatan 10 kW sepanjang serat dengan panjang 250 m dengan diameter inti 150 μm dianggap mungkin.



Serat Kristal Fotonik

Perlu juga dicatat bahwa saat ini serat multi-inti sedang dikembangkan secara aktif. Penggunaannya secara signifikan akan meningkatkan throughput keseluruhan dari tautan serat optik.
Serat sudah lebih dari lima puluh, tetapi teknologinya jelas tidak akan pensiun. Inovasi di bidang serat optik muncul secara teratur dan telekomunikasi jauh dari satu-satunya industri yang tertarik dalam pengembangan teknologi.