Где можно применить оптоволокно

Оптоволокно: прошлое и настоящее

В 1966 году ученый и выходец из Китая Чарльз Као Куэн представил миру результаты собственного исследования. Основной посыл его разработок заключался в том, что оптическую связь можно организовать с помощью стеклянного волокна. В своей работе Као представил миру уникальные конструктивные особенности волокна и его материалов. Исследования ученого можно по праву считать основой волоконно-оптических телекоммуникаций сегодняшнего дня. Первое же упоминание термина “оптическое волокно” впервые было использовано в 1956 году компанией NS Kapany из США.

Сегодня технологии волоконно-оптической связи настолько прочно проникли в нашу жизнь, что мы уже не видим в них ничего удивительного и воспринимаем их наличие также, как наличие водопровода в многоквартирном доме. Поэтому в этой публикации хотелось бы подробнее поговорить об оптике и рассказать несколько интересных фактов о технологии, на которой основана современная высокоскоростная связь.

Немного истории

За время истории развития волоконной оптики было проведено множество интересных исследований и экспериментов. Остановим свой взгляд лишь на некоторых из них.

Английский физик Джон Тиндалл провел эксперимент с отражением светового луча в струе воды, описание которого он зафиксировал в своей книге.

«Если угол, под которым падает луч света из воды в воздух (т.е. угол между поверхностью двух сред и перпендикуляром), превышает 48 градусов, то луч не выходит из воды – он полностью отражается от границы вода-воздух… Если наименьший угол падения, при котором наблюдается полное внутреннее отражение, назвать предельным углом, то для воды он будет равным 48°27», для бесцветного стекла (флинтглас) – 38°41″, а для алмаза – 23°42″, — пишет Тиндалл.

Экспериментальная установка Джона Тиндалла

Этот эксперимент при желании может дома поставить любой желающий. Лазерной указкой нужно светить под разными углами в ванной на струю воды из крана. Под определенным углом световой луч будет полностью отражаться в потоке воды.

Аналогичный эксперимент можно произвести и с фонариком. Для этого в прозрачной пластиковой бутылке нужно сделать отверстие сбоку. Пропускаем воду через бутылку и начинаем светить фонарем с противоположной стороны бутылки. Если мы подставив ладонь, то на ней будет отражаться пятно света.

Активные разговоры о волоконных светодиодах начались еще в пятидесятых годах прошлого столетия. Тогда же и начали их делать из разного рода прозрачных материалов. Но прозрачности тех материалов не хватало для хорошей проводимости света.

В те годы Советский Союз даже опережал Запад в сфере волоконной оптики. Первая оптическая линия связи была запущена в СССР в 1977 году в Зеленограде. Канал был создан для соединения Северной промзоны и администрации города. Изготовлена она была на оптическом кабеле разработки особого конструкторского бюро кабельной промышленности (ОКБ КП), входящего в Концерн «Радиоэлектронные технологии» (КРЭТ) Государственной корпорации Ростех, специализирующегося на производстве кабелей и кабельных сборок.

В мае 1981 года в СССР вышло Постановление ЦК КПСС и СМ СССР «О разработке и внедрении световодных систем связи и передачи информации». Это событие стало толчком для развития волоконно-оптической связи и увеличению количества разработок в этой сфере.

В начале 60-х сначала в СССР, а затем и на Западе ученые приходят к выводу, что светопоглощение стекла сильно зависит от красящих материалов и продуктов разъедания огнеупоров. Экспериментально было доказано, что светопоглощение идеально чистого стекла настолько мало, что лежит за пределами чувствительности измерительных приборов.
В 1966 году группа ученых во главе Чарльзом Куэн Као приходит к выводу, что наиболее подходящим материалом для волоконно-оптической связи будет кварцевое стекло. Уже тогда Као считал, что с помощью оптики можно будет передавать информацию и вскоре этот вид связи заменит передачи сигнала по медным проводам.

Спустя три года Као получил волокно с коэффициентом затухания на уровне 4 дБ/км. Это результат стал первым экземпляром сверхпрозрачного стекла. Еще год спустя компания Corning Incorporated произвела волокна со ступенчатым профилем показателя преломления и достигла коэффициента затухания 20 дБ/км на длине волны 633 нм. Впервые кварцевое волокно пропустило световой луч на расстояние до 2 километров.

Согласитесь в схожем темпе сейчас развивается квантовая передача данных. По чуть-чуть, да понемногу. В качестве экспериментов и коммерческого использования на небольших расстояниях.

Где оптоволокно применяется помимо телекома

Сегодня волокно применяется во множестве отраслей помимо телекома. Это рентгеновские аппараты, где оно обеспечивает гальваническую развязку между источником высокого напряжения и низковольтным управляющим оборудованием. Так персонал и пациенты получают изоляцию от высоковольтной части аппаратуры. Волокно применяют в распределительных устройствах электроподстанций в качестве датчика системы защиты.

Обширно оптические волокна используют в разного рода измерительных системах, где невозможно применять традиционные электроприборы. Например, в системах измерения температуры в реактивных двигателях самолета, в аппаратах МРТ (томографические медицинские аппараты для исследования внутренних органов, в том числе головного мозга) и др. Датчики на основе оптических волокон могут измерять частоту вибраций, вращения, смещения, скорость и ускорение, вращающий момент, скручивание и другие параметры.

Сегодня применяются гироскопы на основе оптического волокна, которые работают на основе эффекта Саньяка. У такого гироскопа нет подвижных частей, что делает его весьма надежным. Несмотря на то что в современных системах навигации используется огромное количество различных датчиков, благодаря которым определяется положение объекта, наиболее независимую систему можно создать лишь на основе волоконно-оптических гироскопов.
Оптика широко применяется в охранной сигнализации. Устроена такая охранная система следующим образом: когда злоумышленник проникает на территорию условия прохождения света через световод изменяются, и срабатывает сигнализация.

Пример реализации волоконно-оптического гироскопа

Трехосевой волоконно-оптический инерциальный измерительный модуль серии ASTRIX производства фирмы AIRBUS DEFENCE&SPACE; в датчик по каждому направлению встроен LiNb03 модулятор

Волокно активно используется в декоративных целях, как украшение праздников, в искусстве и рекламе.

Постоянно разрабатываются новые типы оптических волокон. К примеру, фотонно-кристаллических световоды. Распространение света в них основано на несколько иных принципах. Такое волокно можно использовать в качестве жидкостных, химических и газовых датчиков. Кроме того его можно применять для для транспортировки мощного излучения в промышленных или медицинских целях.

Уже не в новинку волоконные лазеры с выходной мощностью непрерывного излучения в несколько десятков киловатт. Оружие на основе 6-волоконных 5.5 кВт лазеров еще в 2014 году испытали в американском флоте. Волоконным лазерами режут металл и бетон. Например, установка для резки металла компании IPG Photonics имеет мощность в 100 кВт.

Полным ходом идет разработка оптоволокна, с помощью которого можно было бы передавать энергию лазерного излучения мощность в несколько киловатт. В теории передача излучения мощность 10 кВт по волокну длиной 250 м при диаметре сердцевины 150 мкм считается возможной.

Фотонно-кристаллическое волокно

Также стоит отметить, что сегодня активно разрабатываются многосердцевинные волокна. Их использование позволит значительно увеличить общую пропускную способность ВОЛС.
Волокну уже за пятьдесят, но технология явно не собирается на пенсию. Инновации в сфере оптоволокна появляются регулярно и телеком здесь далеко не единственная отрасль заинтересованная в развитии технологии.

Источник

Оптическое волокно в промышленных системах связи

В нашей предыдущей статье мы рассматривали основные типы оптических волокон. Среди всего прочего, обращалось внимание на то, что область применения оптического волокна не ограничивается лишь компьютерными сетями. Растет число областей промышленности, в которых используются волоконно-оптические линии связи (ВОЛС).

Компания «ЭФО» имеет большой опыт в поставке волоконно-оптических компонентов для индустриальных применений. И в этой статье мы рассмотрим основные особенности оптического волокна с точки зрения специфики промышленных условий и приведем некоторые конкретные примеры его применения в разных областях промышленности.

Причины использования оптического волокна в промышленности

В промышленных применениях редко возникает необходимость в высокоскоростной передаче сигнала на большие расстояния. Типичные значения скорости передачи ограничиваются сотнями Мбит/с, а длина участка линии связи составляет десятки-сотни метров. Этим условиям вполне отвечают стандартные линии на основе витой пары или коаксиального кабеля, а также беспроводная связь. Однако в промышленных условиях на первый план выходят такие факторы, как безопасность и надежность передачи информации. И в этой связи дают о себе знать другие преимущества оптоволокна, существенно выделяющие его на фоне конкурентов. В первую очередь, речь идет о следующих двух особенностях оптического волокна:

• Невосприимчивость к электромагнитному излучению (ЭМИ). Промышленные процессы зачастую сопровождаются повышенным уровнем электромагнитного шума, источником которого могут быть силовые установки, радиоаппаратура и прочее технологическое оборудование. Электромагнитные помехи могут привести к искажению или даже полной потере данных. В отличие от своих конкурентов, оптическое волокно изготавливается из диэлектрического материала, а потому абсолютно невосприимчиво к электромагнитным помехам. Это позволяет прокладывать оптическую линию связи в непосредственной близости к источникам ЭМИ (в частности, к силовым линиям питания технологического оборудования). Вдобавок, оптоволокно само не создает электромагнитных полей в окружающем пространстве, поэтому между соседними оптоволоконными линиями связи не возникает перекрестных помех.
• Гальваническая развязка. Поскольку оптическое волокно является диэлектриком, между передающей и приемной стороной отсутствует электрический контакт. Это позволяет решить большое количество проблем, связанных с разностью потенциалов соединяемого оборудования, протеканием выравнивающего тока при неидеальном заземлении, а также скачками напряжения и другими аварийными ситуациями. Оптоволокно обеспечивает изоляцию значительно более высокого напряжения, чем оптроны и другие микросхемы, используемые для гальванической развязки.

По этим причинам во многих промышленных применениях наилучшим, а подчас и единственно верным, решением является использование оптического волокна. Большую популярность получили индустриальные линии связи на основе пластикового (полимерного) оптического волокна (POF), поскольку они полностью отвечают предъявляемым требованиям и в то же время привлекают сравнительно низкой стоимостью компонентов и простотой работы с POF.
Спектр возможных применений оптоволокна (в частности, POF) в промышленности очень разнообразен. Далее мы вкратце рассмотрим некоторые конкретные примеры, взятые из руководства по применению (Application Note), выпущенного компанией Avago Technologies (сейчас – Broadcom Limited), – одним из ведущих производителей индустриальных волоконно-оптических компонентов.

1. Управление технологическими процессами

В автоматизированных промышленных системах контроллеры получают сигналы управления от компьютера, который может быть удален на некоторое расстояние. Линии связи, по которым передаются эти сигналы, часто располагаются вдоль линий питания и вблизи технологических установок. Чтобы исключить влияние помех на передаваемые сигналы, применяется оптическое волокно. Так, при помощи оптоволокна можно организовать связь между компьютером и программируемым логическим контроллером (ПЛК), а также связь между несколькими ПЛК, объединенными в общую информационную сеть.

Другим примером является управление промышленными роботами, в конструкцию которых входят электродвигатели, соленоиды и прочие элементы, создающие электромагнитные помехи. Относительная гибкость оптического волокна позволяет также использовать его для связи между движущимися частями робота.

2. Системы сбора данных и измерительные системы

Большое значение на производстве также играют контрольно-измерительные системы. Зачастую необходимо проводить мониторинг различных параметров высоковольтного оборудования. Обработка полученных данных при этом осуществляется при помощи низковольтной микропроцессорной техники. Поэтому для передачи сигналов необходима надежная гальваническая развязка, которая достигается при использовании оптического волокна.

В автоматизированных контрольно-измерительных системах также широко используется интерфейсная шина GPIB (IEEE-488). При помощи оптоволокна можно увеличить расстояние между измерительным прибором и компьютером, обрабатывающим информацию. При этом обеспечивается гальваническая развязка и защита от электромагнитных помех, что критично с точки зрения точности измерений.

3. Защита от ударов молнии

Если технологическое оборудование расположено в разных помещениях, волоконно-оптическая связь между установками обеспечивает защиту от возможных повреждений, вызванных ударами молнии.

4. Силовое оборудование

Оптическое волокно используется не только для передачи информации от одних промышленных установок к другим. Оптоволоконные интерфейсы часто применяются внутри оборудования для связи между его частями. В качестве примера можно привести управление IGBT транзисторами, служащими в качестве электронных ключей в инверторах, импульсных источниках питания и других силовых приборах. Оптоволокно обеспечивает надежную гальваническую развязку между низковольтным микроконтроллером, формирующим управляющие сигналы, и затвором силового транзистора.

Другим устройством силовой электроники, в котором используется оптическое волокно, является статический компенсатор реактивной мощности (SVC – Static VAR Compensator), применяемый в высоковольтных системах для уменьшения нагрузки на распределительную сеть, улучшения качества подаваемой электроэнергии и снижения расходов. Основными элементами SVC являются конденсаторы с тиристорным переключением (TSC – Thyristor-Switched Capacitors) и реакторы с тиристорным управлением (TCR – Thyristor-Controlled Reactor), переключение которых приводит к возникновению сильных электромагнитных полей. Поэтому для передачи управляющих сигналов и сигналов обратной связи в SVC применяется оптическое волокно, невосприимчивое к помехам и обеспечивающую гальваническую развязку.

5. Установки альтернативной энергетики

Из рассмотренного выше видно, что оптоволокно может применяться на разных этапах одного и того же технологического процесса. В качестве примера рассмотрим такую набирающую популярность в последние годы область промышленности, как альтернативная энергетика. Наиболее распространенными направлениями на сегодняшний день являются ветроэнергетика и солнечная энергетика.

Ветрогенератор (ВЭУ – ветроэлектрическая установка) преобразует кинетическую энергию ветрового потока в электрическую энергию. В конструкцию ветрогенератора входят выпрямители, инверторы, трансформаторы и фильтры, осуществляющие необходимое преобразование выработанной электроэнергии для ее последующей передачи на большие расстояния. Соединение силового оборудования ветрогенераторов при помощи оптического волокна позволяет исключить влияние скачков напряжения и электромагнитных помех на передаваемые сигналы. Волоконно-оптические компоненты могут располагаться в непосредственной близости к оборудованию и силовым линиям. Оптическое волокно может применяться в следующем оборудовании ветровой электростанции:

• Драйверы затвора силовых транзисторов в выпрямителях и инверторах.
• Приборные и коммуникационные панели.
• Блоки управления турбиной.
• Системы мониторинга условий окружающей среды и состояния оборудования.
• Информационные сети ветровых электростанций.

Аналогичным образом оптическое волокно применяется и в оборудовании электростанций на основе солнечных батарей, преобразующих солнечную энергию в электрический ток. Оптоволокно на солнечных электростанциях применяется в следующих системах:

• Драйверы затвора транзисторов в силовых инверторах.
• Приборные и коммуникационные панели.
• Оборудование автоматизации подстанций и релейной защиты.

6. Оптические системы дуговой защиты

Следующий пример использования оптического волокна несколько отличается от всех предыдущих, поскольку здесь оптоволокно выступает не просто как канал связи, а как основной элемент системы. Речь идет об оптических системах защиты от электрической дуги в комплектных распределительных устройствах (КРУ) электрических подстанций. Такие системы регистрируют оптическое излучение вспышки света, возникающей при дуговом коротком замыкании. Этот подход позволяет минимизировать время срабатывания выключателя в случае аварии. В качестве чувствительного элемента обычно используется линзовый оптический датчик, собирающий излучение вспышки и передающий по оптоволокну на управляющее устройство, или же волоконно-оптический датчик, представляющий собой отрезок оптоволокна в прозрачной оболочке, который регистрирует свет всей своей поверхностью. Управление датчиками может производиться удаленно. Подробнее об оптических системах защиты от дуговых замыканий можно прочитать здесь.

7. Другие автоматизированные системы

Необходимость в централизованном управлении различными установками возникает также и в других системах, не связанных с производством и энергетикой. Приведем два примера, в которых целесообразно использовать оптическое волокно.

Сеть POS-терминалов в магазинах, банках и других учреждениях. Использование оптоволокна для передачи информации между POS-терминалами и центральным компьютером гарантирует высокую скорость связи и сохранность данных по проведенным операциям. Особенно это важно на крупных площадях, где могут присутствовать источники сильных помех.

Игровые развлекательные центры. Оптоволокно также может быть использовано для автоматизации игровых развлекательных систем, а именно для связи центрального компьютера с игровыми автоматами, внутренних соединений автомата и связи между игровыми автоматами для многопользовательской игры.

8. Медицинское оборудование

Еще одна область, в которой активно применяется оптическое волокно, – это медицинское оборудование. Изолирующие свойства оптического волокна обеспечивают защиту пациента, персонала и электроники от высоковольтной части аппаратуры. В качестве примера можно привести рентгеновский аппарат. Для генерации излучения к рентгеновской трубке подводится высокое напряжение. Оптоволокно обеспечивает гальваническую развязку между источником высокого напряжения и низковольтным управляющим оборудованием. При этом также устраняется влияние электромагнитных помех, возникающих при переключении высоких токов и напряжений.

Компоненты Versatile Link от Broadcom Limited

Конечно, невозможно перечислить всех возможных промышленных применений оптического волокна. Однако эта область телекоммуникаций активно развивается как во всем мире, так и в нашей стране.

Источник