Название статьи:
Неизвестное в известном: волоконная оптика | Горюшина Ксения Андреевна. Работа №296513
Дата публикации:
14.05.2022
Автор:
Горюшина Ксения Андреевна
Описание:
Автор: Горюшина Ксения Андреевна
Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации. Низкие потери при передачи сигнала позволяют считать самой перспективной средой для передачи больших потоков данных на значительные расстояния.
Целью данной работы является рассмотреть оптическое волокно как среду для оптической цифровой передачи информации, изучить физические явления и законы волоконной оптики, определяющие принцип работы оптического волокна. Актуальность работы в том, что представлены преимущества и недостатки волоконно-оптических кабелей на основе физических явлений и законов волновой оптики. Новизна и оригинальность заключается в представлении в практической части исследования явления полного отражения света и моделировании распространения светового луча по уравнению цепной линии.
СЕКЦИЯ Физика
Тема исследовательской работы:
Неизвестное в известном: волоконная оптика
Выполнила:
Горюшина Ксения Андреевна
ученица 8 В класса
ГБОУ СОШ №5 ОЦ Лидер г. о Кинель
Научный руководитель:
Гуськова Елена Михайловна
учитель физики
ГБОУ СОШ №5 ОЦ Лидер г.о. Кинель
Самара, 2021
АННОТАЦИЯ
к работе ученицы 8 В класса
ГБОУ СОШ №5 ОЦ Лидер г.о. Кинель
Горюшиной Ксении Андреевны
Неизвестное в известном: оптическое волокно
Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации. Низкие потери при передачи сигнала позволяют считать самой перспективной средой для передачи больших потоков данных на значительные расстояния.
Линии связи все шире используются для передачи информации. На сегодняшний день предел по плотности передаваемой информации по оптическому волокну не достигнут, поэтому данная отрасль является широким полем для деятельности. По мнению автора данной работы, недостаточная информированность пользователей о возможностях ВОЛС и удобствах ее пользователей, проблемы затухания волоконного световода, дорогостоящее технологическое оборудование и т.п. причины не должны препятствовать развитию и применению технологии волоконно- оптической линии связи в информационных сетях.
Целью данной работы является рассмотреть оптическое волокно как среду для оптической цифровой передачи информации, изучить физические явления и законы волоконной оптики, определяющие принцип работы оптического волокна. Актуальность работы в том, что представлены преимущества и недостатки волоконно-оптических кабелей на основе физических явлений и законов волновой оптики. Новизна и оригинальность заключается в представлении в практической части исследования явления полного отражения света и моделировании распространения светового луча по уравнению цепной линии.
Рассмотрены наиболее распространенные виды световодов, продемонстрирован принцип действия и возможности их применения. Таким образом, получила подтверждение гипотеза о том, что оптическое волокно оказалось той средой передачи, которая сможет удовлетворить возрастающие потребности людей в обмене информацией.
Ключевые слова
оптическое волокно
волоконно оптическая линия связи
оптический кабель
полное внутреннее отражение
световод
градиент показателя преломления
уравнение светового луча
Оглавление
Введение 5
1.Глава I. Основы оптики и физические принципы оптического волокна 7
1.1 Волоконно-оптические линии связи 7
1.2 Устройство светодиода. Принцип действия волоконных световодов 9
1.3 Основные виды оптических волокон 10
1.4 Возможности применения волоконно-оптического кабеля 13
1.5 Недостатки волоконной технологии 14
2. Глава II. Практическая часть 16
2.1 Исследование №1. Явление полного отражения 16
2.2 Исследование №2. Моделирование уравнения светового луча 16
2.3 Исследование №3. Модель градиентного световода (сельфока). 17
Заключение 20
Список использованной литературы 22
Приложение 23
Приложение 1. Явление полного внутреннего отражения 22
Приложение 2. Моделирование уравнения светового луча 25
Приложение 3. Модель градиентного световода (сельфока). 26
Приложение 5. Справка об использовании работы ГБОУ СОШ №5 ОЦЛидер
г.о. Кинель 27
Введение
Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков данных на значительные расстояния.
Проблемная ситуация:
Линии связи все шире используются для передачи информации. На сегодняшний день предел по плотности передаваемой информации по оптическому волокну не достигнут, поэтому данная отрасль является широким полем для деятельности. Недостаточная информированность пользователей о возможностях ВОЛС (волоконно-оптические линии связи) и удобствах ее пользователей.
Актуальность проблемы:
В век современных технологий и расширения информационного пространства каждому человеку важна удобная, скоростная и доступная связь. Изучение данной проблемы я считаю перспективной для себя потому, что мне бы хотелось в будущем заниматься автоматизацией и электронными технологиями.
Цель работы: рассмотреть оптическое волокно как среду для оптической цифровой передачи информации, изучить физические явления и законы волоконной оптики, определяющие принцип работы оптического волокна.
Для достижения поставленной цели я сформулировала следующие задачи:
Раскрыть особенности оптического волокна и его виды.
Установить технические характеристики.
Исследовать явление полного внутреннего отражения света и волноводное распространение света.
Сделать выводы по результатам исследования.
Объектом данного исследования является процесс изучения физических явлений и законов волновой оптики.
Предметом исследования выступает явление полного внутреннего отражения.
Гипотеза исследования:
Применение физических явлений и законов оптики в оптическом волокне способствует созданию идеальной среды для передачи больших потоков информации на значительные расстояния.
Методы исследования:
Теоретические (анализ, синтез).
Эмпирические (наблюдение, эксперимент)
1. Глава 1. Основы оптики и физические принципы оптического волокна
1.1 Волоконно-оптические линии связи
Волоконная оптика является относительно молодой областью науки и техники.
Волоконная оптика- это раздел оптики, в котором рассматривается передача света и изображения по светопроводам и волноводам оптического диапазона, в частности по многожильным световодам и пучкам гибких волокон.
Волоконно-оптические линии связи - это вид связи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием "оптическое волокно"[1].
В наше время промышленность многих стран освоила выпуск изделий и компонентов ВОЛС. Следует заметить, что производство компонентов ВОЛС, в первую очередь оптического волокна, отличает высокая степень концентрации. Большинство предприятий сосредоточено в США.
К электронным компонентам ВОЛС относится: трансивер, волоконно-оптический кабель и оптические соединители (рис.1)
Рис.1
Трансивер
Трансивер – это преобразователь электрической энергии в световую или световой энергии в электрическую.
Волоконно-оптический кабель
Вторым важнейшим компонентом, определяющим надежность и долговечность ВОЛС, является волоконно-оптический кабель (ВОК). На сегодня в мире несколько десятков фирм, производящих оптические кабели различного назначения. Наиболее известные из них: AT&T, General Cable Company (США); Les cables de Lion (Франция); Nokia (Финляндия); NTT, Sumitomo (Япония), Pirelli(Италия).
Определяющими параметрами при производстве ВОК являются условия эксплуатации и пропускная способность линии связи.
По условиям эксплуатации кабели подразделяют на:
Монтажные;
Станционные;
Зоновые;
Магистральные.
Первые два типа кабелей предназначены для прокладки внутри зданий и сооружений. Они компактны, легки и, как правило, имеют небольшую строительную длину.
Кабели последних двух типов предназначены для прокладки в колодцах кабельных коммуникаций, в грунте, на опорах вдоль ЛЭП, под водой. Эти кабели имеют защиту от внешних воздействий и строительную длину более двух километров. [2]
Для обеспечения большой пропускной способности линии связи производятся ВОК, содержащие небольшое число (до 8) одномодовых волокон с малым затуханием, а кабели для распределительных сетей могут содержать до 144 волокон как одномодовых, так и многомодовых, в зависимости от расстояний между сегментами сети.
При изготовлении ВОК в основном используются два подхода:
конструкции со свободным перемещением элементов
конструкции с жесткой связью между элементами
По видам конструкций различают кабели повивной скрутки, пучковой скрутки, кабели с профильным сердечником, а также ленточные кабели. Существуют многочисленные комбинации конструкций ВОК, которые в сочетании большим ассортиментом применяемых материалов позволяют выбрать исполнение кабеля, наилучшим образом удовлетворяющее всем условиям проекта, в том числе - стоимостным.
Оптические соединители
После того, как оптический кабель проложен, необходимо соединить его с приемо-передающей аппаратурой. Сделать это можно с помощью оптических коннекторов (соединителей). В системах связи используются коннекторы многих видов. Рассмотрим лишь основные виды, получившие наибольшее распространение в мире. (рис.2)
Виды оптических коннекторов:
SMA.
ST.
FC.
SC.
FDDI[3].
Рис. 2
1.2 Устройство светодиода. Принцип действия волоконных световодов.
Важнейшим из компонентов ВОЛС является оптическое волокно. Оно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления n1 и n2(рис.3). Известно, что в разных средах луч света распространяется с разной скоростью: в стекле – быстро, в воздухе – быстрее, в вакууме – быстрее всего. Попадая на границу двух прозрачных сред, луч света частично отражается, частично преломляется.
Рис. 3
Угол падения, при котором свет не преломляется в другую среду, а отражается и скользит вдоль раздела двух сред (т.е. угол преломления равен 90), называется предельным углом полного отражения (рис.4): sin αпр.= n2/n1. Эта формула объясняет эффект полного внутреннего отражения, на котором основана вся оптоволоконная технология. Эффект состоит в том, что луч, попавший на границу двух сред под углом, большим предельного, полностью отражается. Полное внутреннее отражение наблюдается при переходе света из среды оптически более плотной в оптически менее плотную среду. Для обеспечения полного внутреннего отражения показатель преломления сердцевины несколько выше показателя преломления оболочки[4].
Рис.4
Явление полного отражения можно наблюдать на примере. Если налить в стакан воду и поднять её выше уровня глаз, то поверхность воды при рассмотрении её снизу кажется посеребрённой вследствие полного отражения света[5].
1.3 Основные виды оптических волокон
Для передачи сигналов применяются два вида волокна в зависимости от диаметра сердцевины, показателей преломления материалов сердцевины и оболочки в оптическом волокне: одномодовое и многомодовое. Свое название волокна получили от способа распространения излучения. [1]
В одномодовом волокне диаметр световодной жилы составляет в порядке 8-10 мкм, то есть сравним с длиной световой волны. При такой геометрии в волокне может распространяться только один луч (одна мода).
В многомодовом волокне размер световодной жилы порядка 50-60 мкм, что делает возможным распространение большого числа лучей (много модов).
Оба типа волокна характеризуются двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией.
Затухание обычно измеряется в дБ/км (Децибел в километр) и определяется потерями на поглощение и на рассеяние излучения в оптическом волокне.
Потери на поглощение зависят от чистоты материала, от неоднородностей показателя преломления материала.
Затухание зависит от длины волны излучения, вводимого в волокно. В настоящее время передачу сигналов по волокну осуществляют в трех диапазонах: 0.85 мкм, 1.3 мкм, 1.55 мкм, так как именно в этих диапазонах кварц (главный компонент оптического волокна) имеет повышенную прозрачность (рис.5)
Рис. 5
Другой важнейший параметр оптического волокна - дисперсия. Дисперсия - это рассеяние во времени спектральных и модовых составляющих оптического сигнала.
Существуют три типа дисперсии:
Модовая дисперсия присуща многомодовому волокну и обусловлена наличием большого числа мод, время распространения которых различно;
Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны;
Волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью скорости распространения моды от длины волны.
Поскольку светодиод или лазер излучает некоторый спектр длин волн, дисперсия приводит к уширению импульсов при распространение по волокну и тем самым порождает искажения сигналов. При оценке пользуются термином "полоса пропускания" - это величина, обратная к величине уширения импульса при прохождении им по оптическому волокну расстояния в 1 км. Измеряется полоса пропускания в МГц*км. Из определения полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничение на дальность передачи и на верхнюю частоту передаваемых сигналов.
Если при распространении света по многомодовому волокну как правило преобладает модовая дисперсия, то одномодовому волокну присущи только два последних типа дисперсии. На длине волны 1.3 мкм материальная и волноводная дисперсии в одномодовом волокне компенсируют друг друга, что обеспечивает наивысшую пропускную способность.
Затухание и дисперсия у разных типов оптических волокон различны.
Одномодовые волокна обладают лучшими характеристиками по затуханию и по полосе пропускания, так как в них распространяется только один луч. Однако, одномодовые источники излучения в несколько раз дороже многомодовых. В одномодовое волокно труднее ввести излучение из-за малых размеров световодной жилы, по этой же причине одномодовые волокна сложно сращивать с малыми потерями. Оконцевание одномодовых кабелей оптическими разъемами также обходится дороже.
Многомодовые волокна более удобны при монтаже, так как в них размер световодной жилы в несколько раз больше, чем в одномодовых волокнах. Многомодовый кабель проще оконцевать оптическими разъемами с малыми потерями (до 0.3 дБ) в стыке. На многомодовое волокно расчитаны излучатели на длину волны 0.85 мкм - самые доступные и дешевые излучатели, выпускаемые в очень широком ассортименте. Но затухание на этой длине волны у многомодовых волокон находится в пределах 3-4 dB/км и не может быть существенно улучшено. Полоса пропускания у многомодовых волокон достигает 800 МГц*км, что приемлемо для локальных сетей связи, но не достаточно для магистральных линий.
1.4 Возможности применения волоконно-оптического кабеля
Физические особенности.
Переносчиком сигнала в оптическом волокне является не электрический ток, а световой луч, распространение которого в прозрачной среде (оптоволокне) как луча (или волны) должно подчиняться законам оптики. Для понимания особенностей распространения света в рамках волновой оптики достаточно вспомнить: закон прямолинейного распространения света, закон независимости световых пучков, законы преломления и отражения света на границе раздела сред, законы поглощения. Для прозрачной среды процесс распространения света неотделим от процесса взаимодействия луча со средой. Поведение светового луча подчиняется законам электромагнитного взаимодействия и описывается волновыми функциями с учетом таких понятий как лучепреломление, затухание, дисперсия и др.
По оптической линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка 1 Тбит/с. Говоря другими словами, по одному волокну можно передать одновременно 10 миллионов телефонных разговоров и миллион видеосигналов. Скорость передачи данных может быть увеличена за счет передачи информации сразу в двух направлениях, так как световые волны могут распространяться в одном волокне независимо друг от друга. Кроме того, в оптическом волокне могут распространяться световые сигналы двух разных поляризаций, что позволяет удвоить пропускную способность оптического канала связи. На сегодняшний день предел по плотности передаваемой информации по оптическому волокну не достигнут.
Очень малое (по сравнению с другими средами) затухание светового сигнала в волокне. Лучшие образцы российского волокна имеют затухание 0.22 дБ/км на длине волны 1.55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов. Для сравнения, лучшее волокно Sumitomo на длине волны 1.55 мкм имеет затухание 0.154 дБ/км. В оптических лабораториях США разрабатываются еще более "прозрачные", так называемые фторцирконатные волокна с теоретическим пределом порядка 0,02 дБ/км на длине волны 2.5 мкм. Лабораторные исследования показали, что на основе таких волокон могут быть созданы линии связи с регенерационными участками через 4600 км при скорости передачи порядка 1 Гбит/с.
Технические особенности
Волокно изготовлено из кварца, в основу которого входит двуокись кремния, материал этот распространенный и не дорогой в отличие от меди.
Оптические волокна имеют диаметр около 100 мкм, т. е очень компактны и легки, что делает их перспективными для использования в авиации, приборостроении, в кабельной технике.
Стеклянные волокна - не металл, при строительстве систем связи автоматически достигается гальваническая развязка сегментов. Применяя особо прочный пластик, на кабельных заводах изготавливают самонесущие подвесные кабели, не содержащие металла и тем самым безопасные в электрическом отношении. Такие кабели можно монтировать на мачтах существующих линий электропередач, как отдельно, так и встроенные в фазовый провод, экономя значительные средства на прокладку кабеля через реки и другие преграды.
Системы связи на основе оптических волокон устойчивы к электромагнитным помехам, а передаваемая по световодам информация защищена от несанкционированного доступа. Волоконно-оптические линии связи нельзя подслушать неразрушающим способом. Всякие воздействия на волокно могут быть зарегистрированы методом мониторинга (непрерывного контроля) целостности линии. Теоретически существуют способы обойти защиту путем мониторинга, но затраты на реализацию этих способов будут столь велики, что превзойдут стоимость перехваченной информации.
Важное свойство оптического волокна - долговечность. Время жизни волокна, то есть сохранение им своих свойств в определенных пределах, превышает 25 лет, что позволяет проложить оптико-волоконный кабель один раз и, по мере необходимости, наращивать пропускную способность канала путем замены приемников и передатчиков на более быстродействующие. [6]
1.5 Недостатки волоконной технологии
При создании линии связи требуются высоконадежные активные элементы, преобразующие электрические сигналы в свет и свет в электрические сигналы. Необходимы также оптические коннекторы (соединители) с малыми оптическими потерями и большим ресурсом на подключение-отключение. Точность изготовления таких элементов линии связи должна соответствовать длине волны излучения, то есть погрешности должны быть порядка доли микрона. Поэтому производство таких компонентов оптических линий связи очень дорогостоящее.
Другой недостаток заключается в том, что для монтажа оптических волокон требуется прецизионное, а потому дорогое, технологическое оборудование.
Как следствие, при аварии (обрыве) оптического кабеля затраты на восстановление выше, чем при работе с медными кабелями.
Однако, преимущества от применения волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) настолько значительны, что несмотря на перечисленные недостатки оптического волокна, эти линии связи все шире используются для передачи информации.
Глава 2
2.1 Явление полного отражения
Цель исследования: изучить явления полного внутреннего отражения светового луча.
Оборудование: кювета, вода (водопроводная кипяченая/отстоявшаяся несколько дней), насыщенный раствор поваренной соли, лазерная указка.
Ход работы:
Следует учитывать, что результат опыта будет хорошо заметен только в темном помещении.
Итак, необходимо направить лазерную указку в воду как показано на рис.3. Мы видим, что при угле падения больше 49о свет отражается и скользит вдоль раздела воды и воздуха (см. Приложение №1).
Вывод: эффект полного внутреннего отражения используется воптических волокнах. Осевая часть волокна (сердцевина) формируется из стекла с более высоким показателем преломления, чем окружающая оболочка. Такие световоды используются для построенияволоконно-оптических кабелей.
2.2 . Моделирование уравнения светового луча.
Цель исследования: провести сравнительный анализ хода светового луча, полученного экспериментально с рассчитанным по уравнению светового луча графиком.
Оборудование: компьютер, программа JavaScript.
Ход работы:
График уравнения светового луча представляет собой правую ветвь классической параболы. Значение y возрастает очень быстро. При значении х около 50, значение светового пучка достигает сотни миллиардов. Поэтому в качестве интервала для построения графика были выбраны значение х от 0 до 1.
Используя библиотеку для построения графиков JavaScript, значение х я задавала программно, формируя массив значений от 0 до 1 с шагом 0,001. Дальше для каждого значения х, по формуле для уравнения светового луча рассчитывалось значение у (см. Приложение №2).
Вывод: полученную графическую модель сравнили с физической. Убедились в том, что выстроенная с использованием программы JavaScript цепная линия (гиперболический конус) совпадает с волноводной траекторией распространения света.
2.3. Модель градиентного световода (сельфока).
Световод (сельфок) представляет собой тонкое волокно, вытянутое из оптического стекла. Свет распространяется по произвольно изогнутому световоду волнообразно, последовательно изгибаясь в ту или другую сторону, благодаря полному внутреннему отражению от его поверхности.
Цель исследования: графическое моделирование направления изгиба (радиуса кривизны) светового луча в зависимости от значений градиента показателя преломления оптически неоднородной среды.
Оборудование: компьютер, язык программирования JavaScript
Ход работы:
Программа позволяет выстроить на экране модель градиентного световода (сельфока) при любых параметрах рассматриваемой среды. Для построения программа запросит значение показателя преломления на верхней и нижней границе, координату y точки, угол входа луча. Затем программа строит траекторию хода светового луча, производит вычисления гиперболического косинуса, градиента показателя преломления, радиуса кривизны светового луча.
Градиент показателя преломления k или grand n характеризует скорость изменения показателя преломления среды в направлении оси Оу. В оптически неоднородной среде с постоянным градиентом показателя преломления свет распространяется по цепной линии (см. пункт 2.2). Чем больше градиент показателя преломления, тем меньше радиус кривизны, т.е. тем сильнее искривляется световой луч, проходящий сквозь оптически неоднородную среду.
Рассмотрим ситуацию 1.
Пусть световой луч изгибается в направлении снизу вверх, в результате наблюдается пучок, выпуклый вниз (см. пункт 2.2). Такое направление светового луча возможно при условии, что показатель преломления оптически неоднородной жидкости сверху должен быть больше, чем снизу. Чтобы система из двух таких жидкостей оказалась механически устойчивой, надо, чтобы сверху была расположена менее плотная жидкость, но в тоже время оптически более плотная. Этот случай может быть представлен на примере двух жидкостей: насыщенного водного раствора мочевины и насыщенного водного раствора поваренной соли.
Качественное объяснение ситуации 1: за счёт диффузии граница раздела между жидкостями представляет неоднородный переходный слой с градиентом показателя преломления, направленным сверху вниз (см. Приложение 3).
Рассмотрим ситуацию 2.
Пусть световой луч изгибается в направлении сверху вниз, в результате наблюдается пучок, выпуклый вверх. Такое направление светового луча возможно при условии, что показатель преломления оптически неоднородной жидкости снизу должен быть больше, чем сверху. Этот случай представлен в пункте 2.1 на примере двух жидкостей: насыщенного водного раствора поваренной соли и пресной воды.
Качественное объяснение ситуации 2: за счёт диффузии граница раздела между жидкостями представляет неоднородный переходный слой с градиентом показателя преломления, направленным снизу вверх (см. Приложение 3).
Рассмотрим ситуацию 3.
Пусть световой луч не изгибается, а распространяется прямолинейно.
Качественное объяснение ситуации 3: в оптически однородной среде градиент показателя преломления равен нулю, поэтому в такой среде свет распространяется прямолинейно. При падении на границу раздела двух оптически однородных сред свет в общем случае частично отражается, скачком изменяя направление своего распространения.(см. Приложение 3)
Вывод: любое физическое явление можно использовать в качестве модели другого физического явления, используя методы градиентной оптики, как в данном случае. При распространении светового луча в неоднородной среде на границе раздела между жидкостей изменяется показатель преломления среды, поэтому среда становиться градиентной. Чем резче меняется показатель преломления вдоль оси Оу, тем больше изгиб светового луча, направление изгиба которого определяется направлением градиента показателя преломления. Таким образом, световой луч изгибается в сторону от меньших показателей преломления к большим значениям показателя преломления. В оптически однородной среде градиент показателя преломления равен нулю, а радиус кривизны траектории луча – бесконечности. Следовательно, в таких средах свет распространяется прямолинейно.
,
Заключение
Данная работа посвящена изучению возможностей оптического волокна на основе анализа физических явлений и законов, определяющих волноводное распространение света.
В ходе работы были рассмотрены особенности эффекта полного внутреннего отражения, на котором основана вся оптоволоконная технология. Было проведено сравнение теоретических данных с данными, полученными в ходе исследования уравнения светового луча. Небольшие расхождения обнаружены в рамках допускаемой погрешности измерений. Таким образом, на основе анализа графика распространения светового луча в оптически неоднородной среде и реальной траектории пучка света в таких же условиях, убедились, что свет в данном случае распространяется по цепной линии. Экспериментально подтвердили справедливость уравнения светового луча. Рассмотрена модель градиентного световода методами градиентной оптики. Градиенты показателя преломления возникают также при распространении в среде мощного лазерного излучения, распространении света в атмосфере Земли, других планет, звёзд, любого вида электромагнитного излучения, например, инфракрасного, радио-диапазонов, распространении звука и ультразвука и т.д. Любое физическое явление можно использовать в качестве модели другого физического явления, используя методы градиентной оптики, как представлено в данной работе.
Представленные в работе исследования подтверждают гипотезу о том, что оптическое волокно в настоящее время является самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. В отличие от традиционных кабелей волоконно-оптический кабель связи имеет ряд несомненных преимуществ: малые габариты и вес, широкая полоса пропускания, малое затухание (дисперсия), низкий уровень шумов, высокая помехозащищенность, защищенность от несанкционированного доступа, отсутствие электропроводности, взрыво- и пожаробезопасность, что устраняет опасность повреждения оборудования и прочее, длительный срок эксплуатации (до 25 лет), удаленное электропитание, отсутствие влияние физических показателей внешней среды (влажность, температура, агрегатного состояния среды и т.д.), чрезвычайно высокими скоростями передачи более 1 Тбит/с и т.д.
Изучая возможности ВОЛС и особенности распространения света, пришли к выводу о том, что масштабы развития и применения оптического волокна разнообразны: радиоэлектроника, информатика, связь, космос, строительство, голография, автомобильная промышленность, атомная энергетика, нефтегазовая промышленность, системы охранной и пожарной сигнализации, сейсмические или гидролокационные приборы, высоковольтные линии электропередачи, для освещения, в медицинских целях для доставки света в труднодоступные зоны, в декоративных целях, включая коммерческую рекламу, для наблюдения за автострадами и железными дорогами и др.
Оптическое волокно также используется для формирования изображения. Пучок света, передаваемый оптическим волокном, иногда используется совместно с линзами - например, в эндоскопе, который используется для просмотра объектов через маленькое отверстие. Оптическое волокно используется при конструировании волоконного лазера.
Получило подтверждение предположение, что использование оптоволокна в настоящее время в ВОЛС –это лишь вершина айсберга его применения, оно может широко использоваться во всех отраслях народного хозяйства благодаря своим исключительным свойствам, основанным на физических явлениях и законах.
Планирую продолжить свою исследовательскую деятельность по изучению физики оптического волокна.
Список использованных источников
Википедия, свободная энциклопедия: Волоконно-оптическая система передачи. / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: https://ru.wikipedia.org (дата обращения 20.01.2021)
Волоконно-оптические системы передачи и кабели Справочник. Под ред. Гроднева И.И., Мурадяна А.Г., Шарафутдинова Р.М. и др.,М., Радио и связь, 1993 – 264стр.
FiberTop: Инструменты и приборы для работы с ВОЛС. / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: https://fibertop.ru (дата обращения 25.01.2021)
Журнал Квант: Свет в неоднородной среде. / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: http://kvant.mccme.ru (дата обращения 1.03.2021)
NVTC: Явление полного отражения. / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: http://www.nvtc.ee (дата обращения 1.03.2021)
"Волоконно-оптическая техника", Технико-коммерческий сборник. М., АО ВОТ, N1, 1993.
Приложения №1
Проведение исследования №1.
Явление полного внутреннего отражения.
Приложение №2
Проведение исследования №2.
Моделирование уравнения светового луча.
Приложение №3
Проведение исследования №3.
Модель градиентного световода (сельфока).
Приложение №5
Справка об использовании работы ГБОУ СОШ №5 ОЦ Лидер г.о. Кинель
HYPER13PAGE HYPER15
21
Скачать работу
Тема исследовательской работы:
Неизвестное в известном: волоконная оптика
Выполнила:
Горюшина Ксения Андреевна
ученица 8 В класса
ГБОУ СОШ №5 ОЦ Лидер г. о Кинель
Научный руководитель:
Гуськова Елена Михайловна
учитель физики
ГБОУ СОШ №5 ОЦ Лидер г.о. Кинель
Самара, 2021
АННОТАЦИЯ
к работе ученицы 8 В класса
ГБОУ СОШ №5 ОЦ Лидер г.о. Кинель
Горюшиной Ксении Андреевны
Неизвестное в известном: оптическое волокно
Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации. Низкие потери при передачи сигнала позволяют считать самой перспективной средой для передачи больших потоков данных на значительные расстояния.
Линии связи все шире используются для передачи информации. На сегодняшний день предел по плотности передаваемой информации по оптическому волокну не достигнут, поэтому данная отрасль является широким полем для деятельности. По мнению автора данной работы, недостаточная информированность пользователей о возможностях ВОЛС и удобствах ее пользователей, проблемы затухания волоконного световода, дорогостоящее технологическое оборудование и т.п. причины не должны препятствовать развитию и применению технологии волоконно- оптической линии связи в информационных сетях.
Целью данной работы является рассмотреть оптическое волокно как среду для оптической цифровой передачи информации, изучить физические явления и законы волоконной оптики, определяющие принцип работы оптического волокна. Актуальность работы в том, что представлены преимущества и недостатки волоконно-оптических кабелей на основе физических явлений и законов волновой оптики. Новизна и оригинальность заключается в представлении в практической части исследования явления полного отражения света и моделировании распространения светового луча по уравнению цепной линии.
Рассмотрены наиболее распространенные виды световодов, продемонстрирован принцип действия и возможности их применения. Таким образом, получила подтверждение гипотеза о том, что оптическое волокно оказалось той средой передачи, которая сможет удовлетворить возрастающие потребности людей в обмене информацией.
Ключевые слова
оптическое волокно
волоконно оптическая линия связи
оптический кабель
полное внутреннее отражение
световод
градиент показателя преломления
уравнение светового луча
Оглавление
Введение 5
1.Глава I. Основы оптики и физические принципы оптического волокна 7
1.1 Волоконно-оптические линии связи 7
1.2 Устройство светодиода. Принцип действия волоконных световодов 9
1.3 Основные виды оптических волокон 10
1.4 Возможности применения волоконно-оптического кабеля 13
1.5 Недостатки волоконной технологии 14
2. Глава II. Практическая часть 16
2.1 Исследование №1. Явление полного отражения 16
2.2 Исследование №2. Моделирование уравнения светового луча 16
2.3 Исследование №3. Модель градиентного световода (сельфока). 17
Заключение 20
Список использованной литературы 22
Приложение 23
Приложение 1. Явление полного внутреннего отражения 22
Приложение 2. Моделирование уравнения светового луча 25
Приложение 3. Модель градиентного световода (сельфока). 26
Приложение 5. Справка об использовании работы ГБОУ СОШ №5 ОЦЛидер
г.о. Кинель 27
Введение
Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков данных на значительные расстояния.
Проблемная ситуация:
Линии связи все шире используются для передачи информации. На сегодняшний день предел по плотности передаваемой информации по оптическому волокну не достигнут, поэтому данная отрасль является широким полем для деятельности. Недостаточная информированность пользователей о возможностях ВОЛС (волоконно-оптические линии связи) и удобствах ее пользователей.
Актуальность проблемы:
В век современных технологий и расширения информационного пространства каждому человеку важна удобная, скоростная и доступная связь. Изучение данной проблемы я считаю перспективной для себя потому, что мне бы хотелось в будущем заниматься автоматизацией и электронными технологиями.
Цель работы: рассмотреть оптическое волокно как среду для оптической цифровой передачи информации, изучить физические явления и законы волоконной оптики, определяющие принцип работы оптического волокна.
Для достижения поставленной цели я сформулировала следующие задачи:
Раскрыть особенности оптического волокна и его виды.
Установить технические характеристики.
Исследовать явление полного внутреннего отражения света и волноводное распространение света.
Сделать выводы по результатам исследования.
Объектом данного исследования является процесс изучения физических явлений и законов волновой оптики.
Предметом исследования выступает явление полного внутреннего отражения.
Гипотеза исследования:
Применение физических явлений и законов оптики в оптическом волокне способствует созданию идеальной среды для передачи больших потоков информации на значительные расстояния.
Методы исследования:
Теоретические (анализ, синтез).
Эмпирические (наблюдение, эксперимент)
1. Глава 1. Основы оптики и физические принципы оптического волокна
1.1 Волоконно-оптические линии связи
Волоконная оптика является относительно молодой областью науки и техники.
Волоконная оптика- это раздел оптики, в котором рассматривается передача света и изображения по светопроводам и волноводам оптического диапазона, в частности по многожильным световодам и пучкам гибких волокон.
Волоконно-оптические линии связи - это вид связи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием "оптическое волокно"[1].
В наше время промышленность многих стран освоила выпуск изделий и компонентов ВОЛС. Следует заметить, что производство компонентов ВОЛС, в первую очередь оптического волокна, отличает высокая степень концентрации. Большинство предприятий сосредоточено в США.
К электронным компонентам ВОЛС относится: трансивер, волоконно-оптический кабель и оптические соединители (рис.1)
Рис.1
Трансивер
Трансивер – это преобразователь электрической энергии в световую или световой энергии в электрическую.
Волоконно-оптический кабель
Вторым важнейшим компонентом, определяющим надежность и долговечность ВОЛС, является волоконно-оптический кабель (ВОК). На сегодня в мире несколько десятков фирм, производящих оптические кабели различного назначения. Наиболее известные из них: AT&T, General Cable Company (США); Les cables de Lion (Франция); Nokia (Финляндия); NTT, Sumitomo (Япония), Pirelli(Италия).
Определяющими параметрами при производстве ВОК являются условия эксплуатации и пропускная способность линии связи.
По условиям эксплуатации кабели подразделяют на:
Монтажные;
Станционные;
Зоновые;
Магистральные.
Первые два типа кабелей предназначены для прокладки внутри зданий и сооружений. Они компактны, легки и, как правило, имеют небольшую строительную длину.
Кабели последних двух типов предназначены для прокладки в колодцах кабельных коммуникаций, в грунте, на опорах вдоль ЛЭП, под водой. Эти кабели имеют защиту от внешних воздействий и строительную длину более двух километров. [2]
Для обеспечения большой пропускной способности линии связи производятся ВОК, содержащие небольшое число (до 8) одномодовых волокон с малым затуханием, а кабели для распределительных сетей могут содержать до 144 волокон как одномодовых, так и многомодовых, в зависимости от расстояний между сегментами сети.
При изготовлении ВОК в основном используются два подхода:
конструкции со свободным перемещением элементов
конструкции с жесткой связью между элементами
По видам конструкций различают кабели повивной скрутки, пучковой скрутки, кабели с профильным сердечником, а также ленточные кабели. Существуют многочисленные комбинации конструкций ВОК, которые в сочетании большим ассортиментом применяемых материалов позволяют выбрать исполнение кабеля, наилучшим образом удовлетворяющее всем условиям проекта, в том числе - стоимостным.
Оптические соединители
После того, как оптический кабель проложен, необходимо соединить его с приемо-передающей аппаратурой. Сделать это можно с помощью оптических коннекторов (соединителей). В системах связи используются коннекторы многих видов. Рассмотрим лишь основные виды, получившие наибольшее распространение в мире. (рис.2)
Виды оптических коннекторов:
SMA.
ST.
FC.
SC.
FDDI[3].
Рис. 2
1.2 Устройство светодиода. Принцип действия волоконных световодов.
Важнейшим из компонентов ВОЛС является оптическое волокно. Оно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления n1 и n2(рис.3). Известно, что в разных средах луч света распространяется с разной скоростью: в стекле – быстро, в воздухе – быстрее, в вакууме – быстрее всего. Попадая на границу двух прозрачных сред, луч света частично отражается, частично преломляется.
Рис. 3
Угол падения, при котором свет не преломляется в другую среду, а отражается и скользит вдоль раздела двух сред (т.е. угол преломления равен 90), называется предельным углом полного отражения (рис.4): sin αпр.= n2/n1. Эта формула объясняет эффект полного внутреннего отражения, на котором основана вся оптоволоконная технология. Эффект состоит в том, что луч, попавший на границу двух сред под углом, большим предельного, полностью отражается. Полное внутреннее отражение наблюдается при переходе света из среды оптически более плотной в оптически менее плотную среду. Для обеспечения полного внутреннего отражения показатель преломления сердцевины несколько выше показателя преломления оболочки[4].
Рис.4
Явление полного отражения можно наблюдать на примере. Если налить в стакан воду и поднять её выше уровня глаз, то поверхность воды при рассмотрении её снизу кажется посеребрённой вследствие полного отражения света[5].
1.3 Основные виды оптических волокон
Для передачи сигналов применяются два вида волокна в зависимости от диаметра сердцевины, показателей преломления материалов сердцевины и оболочки в оптическом волокне: одномодовое и многомодовое. Свое название волокна получили от способа распространения излучения. [1]
В одномодовом волокне диаметр световодной жилы составляет в порядке 8-10 мкм, то есть сравним с длиной световой волны. При такой геометрии в волокне может распространяться только один луч (одна мода).
В многомодовом волокне размер световодной жилы порядка 50-60 мкм, что делает возможным распространение большого числа лучей (много модов).
Оба типа волокна характеризуются двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией.
Затухание обычно измеряется в дБ/км (Децибел в километр) и определяется потерями на поглощение и на рассеяние излучения в оптическом волокне.
Потери на поглощение зависят от чистоты материала, от неоднородностей показателя преломления материала.
Затухание зависит от длины волны излучения, вводимого в волокно. В настоящее время передачу сигналов по волокну осуществляют в трех диапазонах: 0.85 мкм, 1.3 мкм, 1.55 мкм, так как именно в этих диапазонах кварц (главный компонент оптического волокна) имеет повышенную прозрачность (рис.5)
Рис. 5
Другой важнейший параметр оптического волокна - дисперсия. Дисперсия - это рассеяние во времени спектральных и модовых составляющих оптического сигнала.
Существуют три типа дисперсии:
Модовая дисперсия присуща многомодовому волокну и обусловлена наличием большого числа мод, время распространения которых различно;
Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны;
Волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью скорости распространения моды от длины волны.
Поскольку светодиод или лазер излучает некоторый спектр длин волн, дисперсия приводит к уширению импульсов при распространение по волокну и тем самым порождает искажения сигналов. При оценке пользуются термином "полоса пропускания" - это величина, обратная к величине уширения импульса при прохождении им по оптическому волокну расстояния в 1 км. Измеряется полоса пропускания в МГц*км. Из определения полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничение на дальность передачи и на верхнюю частоту передаваемых сигналов.
Если при распространении света по многомодовому волокну как правило преобладает модовая дисперсия, то одномодовому волокну присущи только два последних типа дисперсии. На длине волны 1.3 мкм материальная и волноводная дисперсии в одномодовом волокне компенсируют друг друга, что обеспечивает наивысшую пропускную способность.
Затухание и дисперсия у разных типов оптических волокон различны.
Одномодовые волокна обладают лучшими характеристиками по затуханию и по полосе пропускания, так как в них распространяется только один луч. Однако, одномодовые источники излучения в несколько раз дороже многомодовых. В одномодовое волокно труднее ввести излучение из-за малых размеров световодной жилы, по этой же причине одномодовые волокна сложно сращивать с малыми потерями. Оконцевание одномодовых кабелей оптическими разъемами также обходится дороже.
Многомодовые волокна более удобны при монтаже, так как в них размер световодной жилы в несколько раз больше, чем в одномодовых волокнах. Многомодовый кабель проще оконцевать оптическими разъемами с малыми потерями (до 0.3 дБ) в стыке. На многомодовое волокно расчитаны излучатели на длину волны 0.85 мкм - самые доступные и дешевые излучатели, выпускаемые в очень широком ассортименте. Но затухание на этой длине волны у многомодовых волокон находится в пределах 3-4 dB/км и не может быть существенно улучшено. Полоса пропускания у многомодовых волокон достигает 800 МГц*км, что приемлемо для локальных сетей связи, но не достаточно для магистральных линий.
1.4 Возможности применения волоконно-оптического кабеля
Физические особенности.
Переносчиком сигнала в оптическом волокне является не электрический ток, а световой луч, распространение которого в прозрачной среде (оптоволокне) как луча (или волны) должно подчиняться законам оптики. Для понимания особенностей распространения света в рамках волновой оптики достаточно вспомнить: закон прямолинейного распространения света, закон независимости световых пучков, законы преломления и отражения света на границе раздела сред, законы поглощения. Для прозрачной среды процесс распространения света неотделим от процесса взаимодействия луча со средой. Поведение светового луча подчиняется законам электромагнитного взаимодействия и описывается волновыми функциями с учетом таких понятий как лучепреломление, затухание, дисперсия и др.
По оптической линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка 1 Тбит/с. Говоря другими словами, по одному волокну можно передать одновременно 10 миллионов телефонных разговоров и миллион видеосигналов. Скорость передачи данных может быть увеличена за счет передачи информации сразу в двух направлениях, так как световые волны могут распространяться в одном волокне независимо друг от друга. Кроме того, в оптическом волокне могут распространяться световые сигналы двух разных поляризаций, что позволяет удвоить пропускную способность оптического канала связи. На сегодняшний день предел по плотности передаваемой информации по оптическому волокну не достигнут.
Очень малое (по сравнению с другими средами) затухание светового сигнала в волокне. Лучшие образцы российского волокна имеют затухание 0.22 дБ/км на длине волны 1.55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов. Для сравнения, лучшее волокно Sumitomo на длине волны 1.55 мкм имеет затухание 0.154 дБ/км. В оптических лабораториях США разрабатываются еще более "прозрачные", так называемые фторцирконатные волокна с теоретическим пределом порядка 0,02 дБ/км на длине волны 2.5 мкм. Лабораторные исследования показали, что на основе таких волокон могут быть созданы линии связи с регенерационными участками через 4600 км при скорости передачи порядка 1 Гбит/с.
Технические особенности
Волокно изготовлено из кварца, в основу которого входит двуокись кремния, материал этот распространенный и не дорогой в отличие от меди.
Оптические волокна имеют диаметр около 100 мкм, т. е очень компактны и легки, что делает их перспективными для использования в авиации, приборостроении, в кабельной технике.
Стеклянные волокна - не металл, при строительстве систем связи автоматически достигается гальваническая развязка сегментов. Применяя особо прочный пластик, на кабельных заводах изготавливают самонесущие подвесные кабели, не содержащие металла и тем самым безопасные в электрическом отношении. Такие кабели можно монтировать на мачтах существующих линий электропередач, как отдельно, так и встроенные в фазовый провод, экономя значительные средства на прокладку кабеля через реки и другие преграды.
Системы связи на основе оптических волокон устойчивы к электромагнитным помехам, а передаваемая по световодам информация защищена от несанкционированного доступа. Волоконно-оптические линии связи нельзя подслушать неразрушающим способом. Всякие воздействия на волокно могут быть зарегистрированы методом мониторинга (непрерывного контроля) целостности линии. Теоретически существуют способы обойти защиту путем мониторинга, но затраты на реализацию этих способов будут столь велики, что превзойдут стоимость перехваченной информации.
Важное свойство оптического волокна - долговечность. Время жизни волокна, то есть сохранение им своих свойств в определенных пределах, превышает 25 лет, что позволяет проложить оптико-волоконный кабель один раз и, по мере необходимости, наращивать пропускную способность канала путем замены приемников и передатчиков на более быстродействующие. [6]
1.5 Недостатки волоконной технологии
При создании линии связи требуются высоконадежные активные элементы, преобразующие электрические сигналы в свет и свет в электрические сигналы. Необходимы также оптические коннекторы (соединители) с малыми оптическими потерями и большим ресурсом на подключение-отключение. Точность изготовления таких элементов линии связи должна соответствовать длине волны излучения, то есть погрешности должны быть порядка доли микрона. Поэтому производство таких компонентов оптических линий связи очень дорогостоящее.
Другой недостаток заключается в том, что для монтажа оптических волокон требуется прецизионное, а потому дорогое, технологическое оборудование.
Как следствие, при аварии (обрыве) оптического кабеля затраты на восстановление выше, чем при работе с медными кабелями.
Однако, преимущества от применения волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) настолько значительны, что несмотря на перечисленные недостатки оптического волокна, эти линии связи все шире используются для передачи информации.
Глава 2
2.1 Явление полного отражения
Цель исследования: изучить явления полного внутреннего отражения светового луча.
Оборудование: кювета, вода (водопроводная кипяченая/отстоявшаяся несколько дней), насыщенный раствор поваренной соли, лазерная указка.
Ход работы:
Следует учитывать, что результат опыта будет хорошо заметен только в темном помещении.
Итак, необходимо направить лазерную указку в воду как показано на рис.3. Мы видим, что при угле падения больше 49о свет отражается и скользит вдоль раздела воды и воздуха (см. Приложение №1).
Вывод: эффект полного внутреннего отражения используется воптических волокнах. Осевая часть волокна (сердцевина) формируется из стекла с более высоким показателем преломления, чем окружающая оболочка. Такие световоды используются для построенияволоконно-оптических кабелей.
2.2 . Моделирование уравнения светового луча.
Цель исследования: провести сравнительный анализ хода светового луча, полученного экспериментально с рассчитанным по уравнению светового луча графиком.
Оборудование: компьютер, программа JavaScript.
Ход работы:
График уравнения светового луча представляет собой правую ветвь классической параболы. Значение y возрастает очень быстро. При значении х около 50, значение светового пучка достигает сотни миллиардов. Поэтому в качестве интервала для построения графика были выбраны значение х от 0 до 1.
Используя библиотеку для построения графиков JavaScript, значение х я задавала программно, формируя массив значений от 0 до 1 с шагом 0,001. Дальше для каждого значения х, по формуле для уравнения светового луча рассчитывалось значение у (см. Приложение №2).
Вывод: полученную графическую модель сравнили с физической. Убедились в том, что выстроенная с использованием программы JavaScript цепная линия (гиперболический конус) совпадает с волноводной траекторией распространения света.
2.3. Модель градиентного световода (сельфока).
Световод (сельфок) представляет собой тонкое волокно, вытянутое из оптического стекла. Свет распространяется по произвольно изогнутому световоду волнообразно, последовательно изгибаясь в ту или другую сторону, благодаря полному внутреннему отражению от его поверхности.
Цель исследования: графическое моделирование направления изгиба (радиуса кривизны) светового луча в зависимости от значений градиента показателя преломления оптически неоднородной среды.
Оборудование: компьютер, язык программирования JavaScript
Ход работы:
Программа позволяет выстроить на экране модель градиентного световода (сельфока) при любых параметрах рассматриваемой среды. Для построения программа запросит значение показателя преломления на верхней и нижней границе, координату y точки, угол входа луча. Затем программа строит траекторию хода светового луча, производит вычисления гиперболического косинуса, градиента показателя преломления, радиуса кривизны светового луча.
Градиент показателя преломления k или grand n характеризует скорость изменения показателя преломления среды в направлении оси Оу. В оптически неоднородной среде с постоянным градиентом показателя преломления свет распространяется по цепной линии (см. пункт 2.2). Чем больше градиент показателя преломления, тем меньше радиус кривизны, т.е. тем сильнее искривляется световой луч, проходящий сквозь оптически неоднородную среду.
Рассмотрим ситуацию 1.
Пусть световой луч изгибается в направлении снизу вверх, в результате наблюдается пучок, выпуклый вниз (см. пункт 2.2). Такое направление светового луча возможно при условии, что показатель преломления оптически неоднородной жидкости сверху должен быть больше, чем снизу. Чтобы система из двух таких жидкостей оказалась механически устойчивой, надо, чтобы сверху была расположена менее плотная жидкость, но в тоже время оптически более плотная. Этот случай может быть представлен на примере двух жидкостей: насыщенного водного раствора мочевины и насыщенного водного раствора поваренной соли.
Качественное объяснение ситуации 1: за счёт диффузии граница раздела между жидкостями представляет неоднородный переходный слой с градиентом показателя преломления, направленным сверху вниз (см. Приложение 3).
Рассмотрим ситуацию 2.
Пусть световой луч изгибается в направлении сверху вниз, в результате наблюдается пучок, выпуклый вверх. Такое направление светового луча возможно при условии, что показатель преломления оптически неоднородной жидкости снизу должен быть больше, чем сверху. Этот случай представлен в пункте 2.1 на примере двух жидкостей: насыщенного водного раствора поваренной соли и пресной воды.
Качественное объяснение ситуации 2: за счёт диффузии граница раздела между жидкостями представляет неоднородный переходный слой с градиентом показателя преломления, направленным снизу вверх (см. Приложение 3).
Рассмотрим ситуацию 3.
Пусть световой луч не изгибается, а распространяется прямолинейно.
Качественное объяснение ситуации 3: в оптически однородной среде градиент показателя преломления равен нулю, поэтому в такой среде свет распространяется прямолинейно. При падении на границу раздела двух оптически однородных сред свет в общем случае частично отражается, скачком изменяя направление своего распространения.(см. Приложение 3)
Вывод: любое физическое явление можно использовать в качестве модели другого физического явления, используя методы градиентной оптики, как в данном случае. При распространении светового луча в неоднородной среде на границе раздела между жидкостей изменяется показатель преломления среды, поэтому среда становиться градиентной. Чем резче меняется показатель преломления вдоль оси Оу, тем больше изгиб светового луча, направление изгиба которого определяется направлением градиента показателя преломления. Таким образом, световой луч изгибается в сторону от меньших показателей преломления к большим значениям показателя преломления. В оптически однородной среде градиент показателя преломления равен нулю, а радиус кривизны траектории луча – бесконечности. Следовательно, в таких средах свет распространяется прямолинейно.
,
Заключение
Данная работа посвящена изучению возможностей оптического волокна на основе анализа физических явлений и законов, определяющих волноводное распространение света.
В ходе работы были рассмотрены особенности эффекта полного внутреннего отражения, на котором основана вся оптоволоконная технология. Было проведено сравнение теоретических данных с данными, полученными в ходе исследования уравнения светового луча. Небольшие расхождения обнаружены в рамках допускаемой погрешности измерений. Таким образом, на основе анализа графика распространения светового луча в оптически неоднородной среде и реальной траектории пучка света в таких же условиях, убедились, что свет в данном случае распространяется по цепной линии. Экспериментально подтвердили справедливость уравнения светового луча. Рассмотрена модель градиентного световода методами градиентной оптики. Градиенты показателя преломления возникают также при распространении в среде мощного лазерного излучения, распространении света в атмосфере Земли, других планет, звёзд, любого вида электромагнитного излучения, например, инфракрасного, радио-диапазонов, распространении звука и ультразвука и т.д. Любое физическое явление можно использовать в качестве модели другого физического явления, используя методы градиентной оптики, как представлено в данной работе.
Представленные в работе исследования подтверждают гипотезу о том, что оптическое волокно в настоящее время является самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. В отличие от традиционных кабелей волоконно-оптический кабель связи имеет ряд несомненных преимуществ: малые габариты и вес, широкая полоса пропускания, малое затухание (дисперсия), низкий уровень шумов, высокая помехозащищенность, защищенность от несанкционированного доступа, отсутствие электропроводности, взрыво- и пожаробезопасность, что устраняет опасность повреждения оборудования и прочее, длительный срок эксплуатации (до 25 лет), удаленное электропитание, отсутствие влияние физических показателей внешней среды (влажность, температура, агрегатного состояния среды и т.д.), чрезвычайно высокими скоростями передачи более 1 Тбит/с и т.д.
Изучая возможности ВОЛС и особенности распространения света, пришли к выводу о том, что масштабы развития и применения оптического волокна разнообразны: радиоэлектроника, информатика, связь, космос, строительство, голография, автомобильная промышленность, атомная энергетика, нефтегазовая промышленность, системы охранной и пожарной сигнализации, сейсмические или гидролокационные приборы, высоковольтные линии электропередачи, для освещения, в медицинских целях для доставки света в труднодоступные зоны, в декоративных целях, включая коммерческую рекламу, для наблюдения за автострадами и железными дорогами и др.
Оптическое волокно также используется для формирования изображения. Пучок света, передаваемый оптическим волокном, иногда используется совместно с линзами - например, в эндоскопе, который используется для просмотра объектов через маленькое отверстие. Оптическое волокно используется при конструировании волоконного лазера.
Получило подтверждение предположение, что использование оптоволокна в настоящее время в ВОЛС –это лишь вершина айсберга его применения, оно может широко использоваться во всех отраслях народного хозяйства благодаря своим исключительным свойствам, основанным на физических явлениях и законах.
Планирую продолжить свою исследовательскую деятельность по изучению физики оптического волокна.
Список использованных источников
Википедия, свободная энциклопедия: Волоконно-оптическая система передачи. / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: https://ru.wikipedia.org (дата обращения 20.01.2021)
Волоконно-оптические системы передачи и кабели Справочник. Под ред. Гроднева И.И., Мурадяна А.Г., Шарафутдинова Р.М. и др.,М., Радио и связь, 1993 – 264стр.
FiberTop: Инструменты и приборы для работы с ВОЛС. / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: https://fibertop.ru (дата обращения 25.01.2021)
Журнал Квант: Свет в неоднородной среде. / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: http://kvant.mccme.ru (дата обращения 1.03.2021)
NVTC: Явление полного отражения. / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: http://www.nvtc.ee (дата обращения 1.03.2021)
"Волоконно-оптическая техника", Технико-коммерческий сборник. М., АО ВОТ, N1, 1993.
Приложения №1
Проведение исследования №1.
Явление полного внутреннего отражения.
Приложение №2
Проведение исследования №2.
Моделирование уравнения светового луча.
Приложение №3
Проведение исследования №3.
Модель градиентного световода (сельфока).
Приложение №5
Справка об использовании работы ГБОУ СОШ №5 ОЦ Лидер г.о. Кинель
HYPER13PAGE HYPER15
21
