光纤:过去和现在

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1966年,科学家,中国人查尔斯·高宽Charles Kao Kuen)向全世界展示了自己的研究成果。 他的发展的主要信息是可以使用玻璃纤维来组织光通信。 花王在他的作品中向世界介绍了纤维及其材料的独特设计特征。 可以将研究科学家视为当今光纤通信的基础。 1956年,美国的NS Kapany首次使用“光纤”一词。

如今,光纤通信技术已经牢固地渗透到我们的生活中,以至于我们再也看不到任何令人惊奇的事物,并意识到它们的存在以及公寓大楼中供水系统的存在。 因此,在本出版物中,我想更多地谈谈光学,并讲一些有关现代高速通信所基于的技术的有趣事实。

一点历史


在光纤发展的历史上,进行了许多有趣的研究和实验。 让我们只看其中一些。

英国物理学家约翰·廷德尔(John Tyndall)进行了光束在水流中的反射实验,并将其描述记录在他的书中。

“如果光线从水落到空气的角度(即两种介质的表面与垂直线之间的角度)超过48度,则光束不会从水中出来-它会从水-空气边界中完全反射出来……如果角度最小观察到的全内反射的下降称为极限角,那么对于水,等于48°27“,对于无色玻璃(火石玻璃)-38°41”,对于钻石-23°42,“ Tyndall写道。

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约翰·廷德尔的实验装置

如果需要的话,任何人都可以在家进行这项实验。 您需要使用激光笔从浴室的水流中以不同角度照亮浴室。 在一定角度下,光束将在水流中完全反射。

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可以使用手电筒进行类似的实验。 为此,您需要在透明的塑料瓶中的侧面开一个孔。 我们使水流过瓶子,并开始在瓶子的另一侧照亮灯笼。 如果我们替换手掌,则将在其上反射一个光斑。

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关于光纤LED的活跃讨论始于上个世纪五十年代。 然后他们开始用各种透明材料制成它们。 但是这些材料的透明度不足以提供良好的光导率。

在那些年里,苏联在光纤领域甚至超过了西方。 第一条光通信线于1977年在泽列诺格勒在苏联启动。 该通道的创建是为了连接北部工业区和市政当局。 它是由电缆行业的特殊设计局(OKB KP)开发的光缆制造的,该局是Rostec State Corporation的无线电技术关注(KRET)的一部分,该公司专门生产电缆和电缆组件。

1981年5月,苏联发布了苏共中央委员会和苏联部长会议令,“关于开发和实施光纤通信系统以及信息传输”。 该事件推动了光纤通信的发展,并推动了该领域的发展。

在60年代初期,首先是在苏联,然后在西方,科学家得出的结论是,玻璃的光吸收在很大程度上取决于着色材料和耐火材料的腐蚀产物。 实验证明,完全清洁的玻璃的光吸收非常小,以至于超出了测量仪器的灵敏度。
1966年,由Charles Kuen Kao领导的一组科学家得出结论,石英玻璃将是最适合光纤通信的材料。 即便如此,Kao仍然相信借助光学技术可以传输信息,并且很快这种类型的通信将取代通过铜线的信号传输。

三年后,Kao收到了一条衰减系数为4 dB / km的光纤。 该结果是超透明玻璃的第一例。 一年后,康宁公司生产了具有阶跃折射率分布的光纤,并且在633 nm的波长处达到了20 dB / km的阻尼系数。 石英纤维首次发出了长达2公里的光束。

以类似的速度达成共识,量子数据传输正在发展。 一点点,但一点点。 作为短距离的实验和商业用途。

除电信外,光纤还在哪里使用?


如今,除了电信以外,光纤还用于许多其他行业。 这些是X射线机,它在高压源和低压控制设备之间提供电流隔离。 因此,医务人员和患者可以与设备的高压部分隔离。 光纤用于变电站的开关设备中,作为保护系统的传感器。

广泛地用于各种测量系统中的光纤,在这些测量系统中不可能使用传统的电器。 例如,在飞机喷气发动机的温度测量系统中,在MRI设备(用于检查包括大脑在内的内部器官的断层扫描医疗设备)中,基于光纤的传感器可以测量振动,旋转,位移,速度和加速度的频率,扭矩,扭转等参数。

如今,使用基于光纤的陀螺仪,该陀螺仪基于Sagnac效应工作。 这种陀螺仪没有活动部件,因此非常可靠。 尽管事实上现代导航系统使用大量不同的传感器,但由于这些传感器可以确定物体的位置,所以只能基于光纤陀螺仪才能创建最独立的系统。
光学器件广泛用于防盗警报器。 这样的安全系统安排如下:当攻击者进入该区域时,光通过光纤的条件发生变化,并触发警报。

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光纤陀螺仪的示例实现

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AIRBUS DEFENSE&SPACE生产的ASTRIX系列三轴光纤惯性测量模块; LiNb03调制器在每个方向都集成在传感器中

纤维被积极地用于装饰目的,作为艺术,广告中的假日装饰。

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新型光纤正在不断开发中。 例如,光子晶体纤维。 它们中的光分布基于略有不同的原理。 这种纤维可用作液体,化学和气体传感器。 此外,它还可用于为工业或医疗目的传输强大的辐射。

具有数十千瓦连续辐射功率的光纤激光器不再是新事物。 2014年,基于6光纤5.5 kW激光器的武器在美国海军进行了测试。 光纤激光器切割金属和混凝土。 例如,IPG Photonics金属切割机的功率为100 kW。



光纤的开发正在进行中,借助于它,有可能传输几千瓦的激光辐射功率。 从理论上讲,功率为10 kW的辐射沿着长度为250 m,纤芯直径为150μm的光纤传输是可能的。

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光子晶体光纤

还值得注意的是,今天正在积极开发多芯光纤。 它们的使用将显着提高光纤链路的整体吞吐量。
光纤已经超过了50,但是该技术显然不会退役。 光纤领域的创新经常出现,电信远非唯一对技术发展感兴趣的行业。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN405433/


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