Résumé : La fibre optique et ses applications. Amplificateurs et lasers à fibre optique

une branche de l'optique qui s'occupe de la transmission de la lumière et des images à travers des guides de lumière et des guides d'ondes dans le domaine optique, en particulier à travers des guides de lumière multicœurs et des faisceaux de fibres flexibles. V.o. n'est apparu que dans les années 50. 20e siècle

Dans les pièces à fibre optique, les signaux lumineux sont transmis le long des guides de lumière d'une surface (l'extrémité du guide de lumière) à une autre - la surface de sortie sous la forme d'un ensemble d'éléments d'image, dont chacun est transmis le long de son propre noyau de guide de lumière ( riz. ). Les pièces en fibre utilisent généralement de la fibre de verre, dont le noyau porteur de lumière a un indice de réfraction élevé et est entouré d'une gaine de verre avec un indice de réfraction plus faible. De ce fait, à l'interface entre le coeur et la gaine, les rayons subissent une réflexion interne totale et se propagent uniquement le long du coeur du guide de lumière. Malgré les nombreuses réflexions de ce type, les pertes dans les guides de lumière sont principalement dues à l’absorption de la lumière dans la masse du noyau de verre. La transmission des guides de lumière dans la région visible du spectre est de 30 à 70 % avec une longueur de 1 m. Le diamètre des noyaux de guidage de lumière dans les pièces destinées à divers usages varie de plusieurs microns à un centimètre. La propagation de la lumière à travers des guides de lumière, dont le diamètre est grand par rapport à la longueur d'onde, se produit selon les lois de l'optique géométrique (voir Optique géométrique), tandis que les fibres plus fines (de l'ordre de la longueur d'onde) ne propagent que des types d'ondes individuels. ou leurs combinaisons, qui sont considérées dans le cadre de l'optique ondulatoire.

Pour transmettre des images, des fibres optiques multicœurs rigides et des faisceaux avec un placement régulier des fibres sont utilisés. L'image est projetée à l'extrémité d'entrée par l'objectif et à l'extrémité de sortie, elle est observée à travers l'oculaire. La qualité de l'image dans de tels dispositifs est déterminée par le diamètre des noyaux du guide de lumière, leur nombre total et la perfection de leur fabrication. En règle générale, la résolution de ces faisceaux est de 10 à 50 lignes pour 1 mm, et dans des guides de lumière multicœurs rigides et des pièces frittées à partir de ceux-ci - jusqu'à 100 lignes par 1 mm. Les défauts de ces pièces, quel que soit leur emplacement le long des noyaux du guide de lumière, sont transmis le long des noyaux jusqu'à l'extrémité de sortie et gâchent l'image. Cela rend difficile la production de pièces de haute qualité.

Des plaques découpées transversalement dans des fibres densément frittées servent de verres avant aux tubes cathodiques et transfèrent l'image sur leur surface extérieure, ce qui permet de la photographier par contact. Dans ce cas, la majeure partie de la lumière émise par le phosphore atteint le film et l'éclairage de celui-ci est des dizaines de fois supérieur à celui d'une prise de vue avec un appareil photo doté d'un objectif.

L'ouverture numérique des pièces en fibre est généralement comprise entre 0,4 et 1,0. Des faisceaux effilés de guides de lumière - focons (cônes de focalisation) - collectent à l'extrémité étroite le flux lumineux incident à l'extrémité large. Dans le même temps, l'éclairage de sortie et l'inclinaison des rayons augmentent. Une augmentation de la concentration est possible jusqu'à ce que l'ouverture numérique du cône de rayon de sortie atteigne l'ouverture numérique du guide de lumière. Une diminution supplémentaire du diamètre de l'extrémité de sortie a pour résultat que certains des rayons quittent la surface latérale de la fibre ou reviennent vers l'extrémité large.

V.o. utilisé dans presque toutes les branches de la recherche scientifique. Ils produisent des centaines de types de dispositifs optiques et électro-optiques avec de telles pièces. Fibres optiques monocœur rigides droites ou pré-courbées et faisceaux de fibres d'un diamètre de 15 à 50 µm utilisé dans les dispositifs médicaux à lumière froide pour éclairer le nasopharynx, l'estomac, etc. Dans de tels dispositifs, la lumière d'une lampe électrique est collectée par un condenseur situé à l'extrémité d'entrée du guide ou faisceau de lumière et est introduite à travers celui-ci dans la cavité éclairée ; cela permet d'en retirer la lampe - la source de chauffage -. Les guides de lumière avec une trame donnée sont utilisés dans le tournage à grande vitesse, pour enregistrer les traces de particules nucléaires, comme convertisseurs de balayage dans les équipements de phototélégraphie et de télévision, comme convertisseurs de code et comme dispositifs de cryptage. Des fibres actives (laser) ont été créées qui fonctionnent comme des amplificateurs quantiques (Voir Amplificateur quantique) et des générateurs quantiques (Voir Générateur quantique) de lumière, destinés aux ordinateurs à grande vitesse et remplissant les fonctions d'éléments logiques (Voir Élément logique), cellules mémoire (Voir Cellule mémoire), etc. Des fibres fixées à une extrémité (comme une brosse oblique) - les septrons - permettent d'analyser les spectres de fréquence sonore, d'isoler les voix du bruit d'une foule, de créer des dispositifs qui contrôlent les machines à partir de signaux vocaux , etc.

Les pièces en fibre sont fabriquées à partir de matériaux très purs. Un guide de lumière et une fibre sont tirés à partir de fontes de qualités de verre appropriées. Un nouveau matériau optique a été proposé : une fibre cristalline issue d'une fusion. Dans celui-ci, les guides de lumière sont des cristaux filamenteux et les couches intermédiaires sont des additifs introduits dans la masse fondue.

Lit. : Kapani N. S., Fibre optique, trans. de l'anglais, M., 1969 ; Weinberg V. B. et Sattarov D. K., Optique des guides de lumière, M., 1969.

V.B. Weinberg.

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Fibre optique

Extrait du livre Grande Encyclopédie Soviétique (VO) de l'auteur BST

Optique

Extrait du livre Grande Encyclopédie Soviétique (OP) de l'auteur BST

LA FIBRE OPTIQUE est une branche de l'optique dans laquelle est étudiée la distribution des fibres optiques.

le long des fibres optiques (FO) et les phénomènes qui en découlent.

V.o. est apparu dans les années 50. 20ème siècle Au cours des 20 premières années de développement, en tant qu'éléments de V. o. utilisé ch. arr. brins (à pose régulière et irrégulière) d'environ plusieurs longueurs. m. Le matériau pour la fabrication de tels avions était des fibres optiques à plusieurs composants.

verre; la transmission des guides de lumière dans la région visible du spectre était de 30 à 70 % sur une longueur de 1 m à faible coefficient. la transmission est due à l'atténuation de la lumière dans le verre due à la forte concentration d'impuretés. L'ouverture numérique des guides de lumière est de 0,5-1. Naïb. Les faisceaux de guides de lumière sont largement utilisés pour éclairer des objets difficiles d'accès et pour transmettre des images dans la fabrication d'instruments, en particulier pour la technologie. et endoscopie médicale. Dans les années 70 20ème siècle la renaissance s'est produite V. o., lorsque le soleil a été développé à base de verre de quartz avec optique. pertes ~1 dB/km dans la région proche IR du spectre. (La transmission de tels guides de lumière est d'environ 50 % pour une longueur de guide de lumière de plusieurs km.) Ces guides de lumière sont utilisés dans les systèmes longue portée. communications optiques

, dans les systèmes de communication embarqués, les systèmes de transmission télémétrique. informations, dans divers capteurs. physique champs (champs magnétiques, température, rotation, ondes acoustiques), etc. Un guide de lumière à fibre dans sa forme la plus simple est un long fil flexible avec une âme en matériau hautement transparent avec un indice de réfraction n°1 Un guide de lumière à fibre dans sa forme la plus simple est un long fil flexible avec une âme en matériau hautement transparent avec un indice de réfraction entouré d'une coque à indice de réfraction

Riz. 1. Section transversale et profil d'indice de réfraction transversal des fibres : a - multimode échelonné ; b - monomode ; V- dégradé multimode.

La propagation de la lumière le long du soleil est due à la à l'interface noyau-shell. Rayons incidents sur la limite cœur-gaine selon un angle où

expérience interne complète réflexion, conduisant à une propagation de la lumière en zigzag le long du guide de lumière (Fig. 2). Dans ce cas, l'angle d'incidence du faisceau à l'extrémité du guide de lumière est

Riz. 2. Trajectoire des rayons dans une fibre multimode avec un profil d'indice de réfraction échelonné.

Les rayons méridionaux incidents sur l'interface noyau-gaine sous un angle (ligne pointillée sur la figure 2), partiellement réfléchis à l'interface, sont réfractés dans la coque et absorbés à l'extérieur. revêtement absorbant. Par conséquent, l'angle est une mesure de la capacité du soleil à capter la lumière, et le sinus de cet angle est appelé. ouverture numérique BC. .

L'approche par faisceau reflète correctement les principes de base Caractéristiques de propagation de la lumière en AF multimode, pour lesquelles (longueur d'onde de la lumière). Cependant, une image complète de la propagation de la lumière le long du soleil est donnée par la théorie des ondes, qui permet la propagation d'un seul ensemble discret de modes le long du soleil.

Lors de l'analyse de la propagation de la lumière le long du soleil, pour laquelle l'approximation des modes faiblement guidés est largement utilisée. Dans cette approximation, les champs des modes guidés sont polarisés pratiquement linéairement et toutes les composantes du champ peuvent être obtenues comme dérivées d'une composante transversale prédominante du vecteur électrique. les champs, les bords sont exprimés en trace. chemin: Ici UN - constante; dépendance temporelle omise ; - Fonction de Bessel et fonction d'ordre de Macdonald - constante de propagation des modes guidés, déterminée à partir de la solution du problème des valeurs limites (ne peut prendre que des valeurs discrètes dans l'intervalle ); z - direction de propagation coïncidant avec l'axe de l'avion ;

- le nombre d'onde transversale au cœur du soleil ; =- transversale dans la coque de l'avion ; -numéro d'onde dans l'espace libre.

La taille s'appelle paramètre caractéristique du guide de lumière et détermine le nombre de modes

Pertes dans un guide de lumière à fibre.

Atténuation optique signal dans le soleil en verre dans les plages de longueurs d'onde visibles et proches de l'infrarouge, c'est-à-dire dans les régions spectrales où les verres à quartz ont un maximum. la transparence, définie comme fundam.

mécanismes d'absorption et de diffusion de la lumière dans les verres, ainsi que diffusion et absorption par les impuretés et les défauts structurels. 1 Aux fonds. mécanismes optiques les pertes dans les verres de quartz comprennent : l'absorption due aux transitions électroniques (à = 0,8 µm ne dépasse pas 1 dB/km) ; L'absorption IR, causée par les vibrations du réseau, commence à jouer des créatures. rôle (absorption supérieure à dB/km) seulement de 1,8 µm ; Rayleigh sur les inhomogénéités de composition et la densité du verre, plus petite (à = 0,8 microns ne dépasse pas plusieurs dB/km). Ainsi, au maximum. La transparence des lunettes de soleil à base de verres à quartz est comprise entre 0,8 et 1,8 microns. Sur la fig. La figure 3 montre les dépendances spectrales des pertes optiques a, provoquées par des mécanismes fondamentaux, pour un verre de quartz dopé au Ge. - ; 3 Riz. 3. Dépendances spectrales des pertes optiques dans le verre de quartz dopé au germanium : 4 - absorption due aux transitions électroniques ;

- absorption due aux vibrations du réseau ;

La dispersion matérielle du soleil est déterminée par la dépendance de l'indice de réfraction du matériau à partir duquel le guide de lumière est fabriqué. Dans ce cas, la vitesse de groupe du mode dépend de la fréquence de la lumière, et puisque la vitesse optique L'impulsion a toujours une largeur spectrale finie et s'élargit à mesure qu'elle se propage le long de la fibre. Élargissement de l'impulsion dû à la dispersion du matériau lors de la propagation le long d'une fibre de longueur L

est égal

Lors de la propagation à travers une fibre optique à noyau de quartz, l'élargissement d'une impulsion provenant d'une LED à base de GaAlAs fonctionnant à une longueur d'onde de =0,8 μm et ayant une longueur d'onde relative la largeur spectrale =0,04 est =4 ns/km. L'élargissement des impulsions dû à la dispersion du matériau diminue fortement si le rayonnement porteur est sélectionné dans la région spectrale proche de 1,3 µm, car dans cette région pour les verres à quartz, la valeur

La dispersion du guide d'ondes est liée à la dépendance de la vitesse de groupe d'un mode donné sur la dispersion du guide d'ondes et est généralement négligeable par rapport à la valeur de la dispersion du matériau.<<1,7 мкм, можно выбором легирования и подбором диаметра сердцевины ВС добиться взаимной компенсации и обеспечить наим. уширение импульса (наиб. полосу пропускания) в одномодовых ВС.

Dans un AF en verre de quartz dopé, il existe des régions où la dispersion du matériau est égale en ampleur à la dispersion du guide d'onde et en diffère par son signe. Dans ces zones comprises entre 1,2 Processus non linéaires dans les fibres optiques . En raison de l'isotropie du matériau central des fibres de verre, le terme non linéaire le plus bas dans l'expansion de la polarisation en termes de champ est cubique, c'est-à-dire polarisation non linéaire . La susceptibilité cubique est liée à l'indice de réfraction non linéaire n nl . La susceptibilité cubique est liée à l'indice de réfraction non linéaire piste. rapport : Magnitude . La susceptibilité cubique est liée à l'indice de réfraction non linéaire le quartz fondu est petit : ~ 10 -13 en unités CGSE. Cependant, une diminution du diamètre du noyau (jusqu'à ~ 10 μm) et une faible Les pertes BC permettent de maintenir une intensité optique élevée. rayonnement (~ 10 10 W/cm 2) à des longueurs de fibres supérieures à 1 km, et il est donc facile d'observer la décomposition dans le BC. phénomènes non linéaires. Par exemple, la 1ère composante Stokes de la combinaison forcée. diffusion de la lumière (BKP, voir Diffusion de la lumière stimulée

) est observé à une puissance de pompe de plusieurs. centaines de mW. Spectre combiné

L'avantage fondamental des avions pour l'optique la communication est un immense haut débit avec une faible fibre optique. pertes. Ainsi, par exemple, les fibres de verre dans la région de dispersion matérielle nulle (1,3 μm) permettent de transmettre des signaux avec une bande passante de ~100 GHz*km avec des pertes<1 дБ/км. Волоконная связь отличается также невосприимчивостью к эл--магн. помехам, малым объёмом и весом линий передач; помогает экономить дефицитные цветные металлы.

Au début années 80 une base d'éléments à fibre optique a été créée. des systèmes de communication de première génération, développés et testés en conditions réelles. systèmes. Ces systèmes sont utilisés dans les réseaux téléphoniques, la télévision par câble, les communications embarquées et l'informatique. technologie, technologie des systèmes de contrôle et de gestion. processus et centrales électriques puissantes.

Allumé : Weinberg V.B., Sattarov D.K., Optique des guides de lumière, 2e éd., L., 1877 ; Kapani N. S., Fibre optique, trans. de l'anglais, M., 1969 ; Tiedeken R., La fibre optique et ses applications, trans.

de l'anglais, M., 1975 ; Devyatykh G.G., Dianov E.M., Guides de lumière à fibres à faibles pertes optiques, "Vestn. AN SSSR", 1981, M 10, p. 54 ; Midwinter J.E., Guides de lumière à fibres pour la transmission de l'information, trans. de l'anglais, M., 1983 ;

Dianov E. M., Prokhorov A. M., Lasers et fibre optique, UFN, 1986, v. 148, p. 289.

Présentation de la leçon « Réflexion interne totale »

professeurs du lycée MAOU n°14

Ermakova T.V. 2014

Fibre optique

est une branche de l'optique qui étudie la propagation de la lumière et la transmission d'informations le long de guides de lumière.

Il s’agit de l’un des domaines de la physique laser moderne qui connaît la croissance la plus rapide. Le principe de transmission de la lumière utilisé dans la fibre optique a été démontré pour la première fois sous le règne de la reine Victoria (1837-1901).

Narinder Kapani (12/10/1926) - l'un des fondateurs de la fibre optique Le développement de la technologie moderne des fibres a commencé en 1966, lorsque deux scientifiques japonais

Kao et Hokema a proposé d'utiliser de longues fibres de verre pour transmettre le signal lumineux. En 1970, l'entreprise

"Verre Corning" a d'abord développé un guide de lumière adapté à la transmission d'un signal lumineux. Fibre optique
est un guide d'ondes diélectrique constitué de verre de quartz
Cœur- Il s'agit de la région au centre de la fibre dont l'indice de réfraction est supérieur à celui de la gaine, et dans laquelle se répartit l'essentiel de l'énergie du signal lumineux.

Propagation des rayons lumineux dans les fibres optiques

La communication par fibre optique repose sur le phénomène de réflexion interne totale des ondes électromagnétiques à l'interface entre diélectriques d'indices de réfraction différents.

Le guide de lumière est une fibre de verre cylindrique recouverte d'une gaine en matériau transparent d'indice de réfraction inférieur à celui de la fibre. Grâce à la réflexion totale multiple, la lumière peut être dirigée le long de n'importe quel chemin (droit ou courbe). Les fibres sont rassemblées en faisceaux. Dans ce cas, chacune des fibres transmet un élément de l'image

Propagation d'un faisceau lumineux dans un guide d'onde

Deux types de fibres sont utilisés pour transmettre les signaux : monomode SMF et multimode MMF.

Les premières fibres optiques étaient multimodes, c'est-à-dire Plusieurs ondes lumineuses pourraient les traverser en même temps.

La fibre monomode de dernière technologie a un diamètre de noyau si petit qu'elle vous permet de redresser le trajet d'un faisceau individuel et de réduire considérablement les pertes d'intensité du signal

Une fibre peut transmettre simultanément

10 millions conversations téléphoniques et million signaux vidéo. La vitesse de transmission des données peut être augmentée en transmettant les informations dans deux directions à la fois, puisque les ondes lumineuses peuvent se propager indépendamment dans une seule fibre. De plus, des signaux lumineux de deux polarisations différentes peuvent se propager dans une fibre optique, ce qui permet de doubler le débit d'un canal de communication optique.

Les méthodes fibre optique sont utilisées :

dans les dispositifs médicaux (éclairage du nasopharynx, de l'estomac, etc.) ;
en tournage à grande vitesse ;
en physique nucléaire (enregistrement des traces de particules nucléaires) ;
dans les communications optiques;
en phototélégraphie et télémétrie (convertisseurs de codes et dispositifs de cryptage) ;
en informatique, acoustique, etc.

Un appareil important utilisant la fibre optique est le téléphone à fibre optique, utilisé pour la communication bidirectionnelle.

La fibre optique a une bande passante beaucoup plus élevée que le câble métallique. Autrement dit, il peut transporter plus de données.
Le câble à fibre optique est moins sensible aux interférences que le câble métallique et est beaucoup plus fin et plus léger que le câble métallique.
Les données peuvent être transmises sous forme numérique plutôt qu'analogique.
Une propriété importante de la fibre optique est sa durabilité.

Le principal inconvénient de la fibre optique est que le câble à fibre optique est le plus cher de tous les types de câbles.
Le câble à fibre optique est très fragile, ce qui rend son installation très difficile.

Fibre optique dans la nature

Des chercheurs ont récemment découvert des fibres optiques de haute qualité dans le corps d’éponges des grands fonds du genre Euplectellas.

Conclusion

Les systèmes de communication par fibre optique offrent une vitesse de transfert d'informations maximale.

Ils incluent les dernières avancées en matière d’optique, d’électronique, de science et de technologie des matériaux.

Tendances de développement :

Augmenter la capacité d’information des lignes de communication

Augmenter la vitesse de traitement de l’information

Réduire la perte et la distorsion des signaux optiques

Agrawal G. Fibre optique - M. : Mir, 2010.
Grodnev I. I. Systèmes optoélectroniques de transmission d'informations. – M. : Connaissance, 2012
Remizov A.N. Physique : manuel. -M. : Outarde, 2011

Contenu de l'article

FIBRE OPTIQUE, technologie permettant de transmettre la lumière à travers de fins fils de matériaux transparents. Cette lumière est utilisée pour transmettre des signaux électroniques sur de longues distances. À la maison ou au bureau, un seul faisceau de fibres de l’épaisseur d’un cheveu humain peut transporter tous les signaux nécessaires au fonctionnement des téléviseurs, des téléphones et des ordinateurs. De tels fils, également appelés fibres optiques ou guides de lumière, sont généralement en verre ou en plastique.

Les sources lumineuses pour les lignes de communication à fibre optique (FOCL) sont des lasers et des diodes électroluminescentes. Allumer et éteindre la lumière code les bits (c'est-à-dire respectivement les uns et les zéros) des informations numériques. Les répéteurs maintiennent la force du signal tout au long du trajet, et les récepteurs le détectent et le décodent à l'autre extrémité de la ligne.

Une fibre optique est constituée d'un noyau transmettant la lumière et d'une gaine qui empêche la diffusion de la lumière. Les fibres sont assemblées en un câble pouvant contenir de 72 à 144 fibres. Les premières fibres optiques étaient multimodes, c'est-à-dire Plusieurs ondes lumineuses pourraient les traverser en même temps. Les fibres multimodes nécessitaient un espacement assez fréquent des répéteurs pour compenser l'absorption et la dispersion des rayons lumineux lorsqu'ils zigzaguent le long du cœur. La fibre monomode de dernière technologie a un diamètre de noyau si petit qu'elle redresse le trajet d'un faisceau individuel et réduit considérablement la perte d'intensité du signal. Les câbles à fibres monomodes sont capables de transmettre jusqu'à 1,2 milliard de bits de données par seconde et la distance entre les répéteurs atteint 50 km.

Applications de la fibre optique.

Les fibres optiques sont utilisées dans les instruments médicaux. Introduits dans le corps du patient, ils transmettent l'image d'un organe ou d'une zone affectée à une caméra externe, éliminant ainsi le besoin d'un examen chirurgical. Dans les voitures, ils servent à fournir de la lumière à partir d’une source commune aux différents tableaux de bord. Les fibres optiques relient les ordinateurs, les robots, les téléviseurs et les téléphones dans de nombreuses usines et institutions.

Cependant, ces fibres ne sont pas totalement transparentes pour répondre aux exigences des liaisons par fibre optique. Dans un tel câble, la lumière doit parcourir de longues distances sans aucune interférence. Des fissures, des contaminations ou des bulles dans la fibre provoquent l'absorption ou la réflexion du faisceau fin. Il a déjà été possible de réduire les pertes de transmission dans les fibres à moins de 10 % par kilomètre.

Les fibres optiques utilisées pour les télécommunications doivent être soudées de manière à ce que les coutures soient minimes. Les générateurs de lumière doivent être connectés aux extrémités de la fibre avec une très grande précision. À cette fin, des lasers et des LED ont été développés, qui ne sont pas plus gros qu'un grain de sel de table. Les câbles à fibres optiques pour le service téléphonique sur de longues distances sont utilisés aux États-Unis, au Japon et en Europe occidentale. Un réseau de câbles à fibres transocéaniques reliant l'Amérique du Nord à l'Europe et à l'Asie est opérationnel depuis 1990. Voir aussi