Оптоволокно́ (оптичне волокно, скорочено ОВ) — це технічний виріб, що конструктивно являє собою світловод (оптичний діелектричний хвилевід), вкритий захисною оболонкою (може бути не одна та містити кольорові маркування). Призначення цього виробу — транспортування електромагнітного випромінення діелектричним середовищем від оптичного передавача до оптичного приймача. Оптичне волокно є частиною волоконно-оптичних ліній, в яких передавання оптичних хвиль здійснюється у вікнах прозорості, розташовані в частині спектра ближнього інфрачервоного діапазону, 800…1675 нм.

До складу конструкції світловоду (оптичного діелектричного хвилеводу) входять серцевина та оболонка з різними коефіцієнтами заломлення. Транспортування оптичного променя відбувається завдяки явищу повного внутрішнього відбиття на межі цих двох середовищ. Розповсюдження електромагнітного випромінення оптичним хвилеводом має найвищу ефективність для тих типів хвиль, що зазнають явища резонансу в поперечному розрізі цього хвилеводу. Такі типи хвиль називаються оптичними модами, за кількістю розповсюдження котрих ОВ поділяються на одномодові та багатомодові.

Серцевина ОВ має змінну залежність величини показника заломлення по радіальній вісі світловоду, котра називається профілем показника заломлення (ППЗ). Наприклад: світловоди з градієнтним показником заломлення; світловоди зі сходинковим профілем показника заломлення. Волоконна оптика — розділ прикладної науки та машинобудування, що описує такі волокна. Оптоволокна використовуються в оптоволоконному зв'язку, який дозволяє передавати цифрову інформацію на великі відстані і з більшою швидкістю передачі даних, ніж в електронних засобах зв'язку. У ряді випадків вони також використовуються при створенні давачів (датчиків, сенсорів).

Відповідно до фізичних властивостей оптоволокна необхідні спеціальні методи для їх з'єднання з устаткуванням. Оптоволокна є основним елементом для різних типів волоконно-оптичних кабелів, залежно від того, де вони використовуватимуться.

Принцип передачі світла усередині оптоволокна був вперше продемонстрований за часів королеви Вікторії (1837—1901), але розвиток сучасних оптичних волокон почався в 1950-х. Їх почали використовувати у зв'язку дещо пізніше, в 1970-х; з цього часу технічний прогрес значно збільшив діапазон застосування та темп розповсюдження оптичних волокон, а також зменшив вартість систем оптоволоконного зв'язку.

Історія Передачу світла вздовж тонкого кремнієвого волокна відповідно до закону заломлення вперше застосували Даніель Колладон та Джакіз Бабінет на початку 1840-х років у Парижі. Джон Тиндел ввів показові демонстрації у свої громадські лекції у Лондоні десяток років пізніше. Тиндел також писав про властивості цілковитого внутрішнього відображення у своїй ознайомчій роботі про природу світла в 1870 році:

Практичне застосування, таке як напрямлене освітлення у ротовій порожнині під час стоматологічних процедур, з'явилось на початку XX ст.. Передача зображень по трубках була застосована незалежно вченим, що експериментував з радіохвилями, Кларенсом Ханселом та телевізійним першопроходцем Джоном Логі Бейрдом у 1920 роках. Цей ефект вперше було застосовано для внутрішнього медичного обстеження Гайнріком Ламмом протягом наступного десятиліття. У 1952 році фізик Нерайндер Сайнг Капані провів експеримент, що призвів до винаходу оптичної волосини. Сучасне оптоволокно, де скляна волосина поміщена у прозору оболонку із метою приведення коефіцієнту відбиття до практичного рівня використання, появилося на світ пізніше. Після цього всі розробки сконцентрувалися на жмутах оптичних волокон, пристосованих для передачі зображення. Перший оптичний напівгнучкий гастроскоп був запатентований у 1956 році Безілем Айзеком Хиршовицим, Сі Уілбером Пітерзом, та Лоренцом І Куртізом, які були дослідниками Університету Мічигану. У процесі розробки гастроскопа Куртіз уперше застосував скляний світловід в оболонці. Перші зразки оптоволокна використовували повітря та непрактичні олії і віск, як оболонку із низьким показником заломлення. Незабаром з'явилась ціла низка інших застосувань, пов'язаних із передачею зображень.

Оптоволокна для телекомунікаційних цілей (наприклад, для діагностики лікарем шлунку пацієнта та забезпечення зв'язку у межах короткого радіусу) були вперше використані в Західній Європі наприкінці XIX ст. та на початку XX ст. Особливо помітно, що передача зображень оптичними волокнами набула популярності на початку XXI ст. через збільшення попиту в медичній та телевізійній галузях.

Також повідомлялось, що японський учений від Університету Тохоку Джюнічі Нішізавою запропонував застосування оптичного волокна у сфері зв'язку ще у 1963 році, як було зазначено в книжці, надрукованій у 2004 році в Індії. Нішізава винайшов інші технології, що сприяли вдосконаленню оптоволоконних комунікацій більшою мірою. Згодом він відкрив оптичні градієнтні світловоди, як канал передачі світла від напівпровідникового лазера.

Вирішальний момент стався у 1965 році, коли Чарльз К. Коу та Джордж А. Гокхем з британської компанії «Standard Telephones and Cables» вперше просунули ідею зменшення загасання в оптоволокні до показника, нижчого від 20 dB/km, таким чином ввівши оптичні кабелі у зону практичного застосування для телекомунікаційних мереж. Вони стверджували, що загасання спричинялося швидше домішками, здатними бути вилученими у волокні, доступному в той час, аніж фундаментальним фізичним законом розсіювання. Вони теоретизували зміну властивостей світла у середовищі оптичного волокна та запропонували матеріал, придатний для його виробництва —- кварцове скло з високим показником чистоти. За це відкриття Коу в 2009 році отримав Нобелівську премію з фізики.

Принциповий рівень загасання у 20 дБ/км був досягнутий вперше в 1970 році дослідниками Робертом Д. Морером, Дональдом Кеком, Пітером С. Шульцом, та Франком Зімаром, що працювали в американській скловарні «Corning Glass Work» (зараз Corning Incorporated). Вони застосували світловід із рівнем згасання в 17 dB/km, у якому кварцове скло містило домішки титану. Кількома роками пізніше, вони створили оптоволокно з рівнем загасання в 4 dB/km, використовуючи діоксид германію як основу домішки. Настільки низьке загасання надало імпульсу телекомунікаціям з використанням оптичного волокна, та зробило Інтернет доступним. В 1981 році General Electric випустив сплавлений злиток кварцу, що був придатним для витягування в нитку довжиною 40 км.

Загасання в сучасному оптоволоконному кабелі є значно меншим ніж у мідному електричному, що вплинуло на розвиток ліній телекомунікаційних передач довжиною 70-150 км. Оптоволоконний підсилювач з домішками ербію, що суттєво зменшує вартість оптоволоконних систем великої довжини шляхом зменшення кількості чи цілковитого вилучення із схеми оптично-електронних повторювачів, був розроблений Девідом Н. Пейном з Університету Саусхамтона та Емануелем Дезервіром із Бел Лабс у 1986 році. В досконалому волокні застосування якісного скла для серцевини та оболонки підвищує стійкість до процесів старіння. Винахідник Герхард Берніз, який звернув на це увагу, в 1973 році був задіяний німецьким підприємством Скот Глес «Light conducting fibers of quartz glass».

У 1991 році із щойно виниклого технологічного напрямку фотонних кристалів, було започатковано розробку однойменних світловодів, що проводили світло завдяки дифракційним явищам на періодичній структурі матеріалу швидше, ніж шляхом повного внутрішнього відбиття. Перше фотонне кристалічне волокно стало комерційно доступним у 2000 році. Таке оптоволокно є потужнішим, ніж звичайне, а його світлопровідні частотні властивості можуть бути контрольовані за потребою з метою покращення ефективності певних застосувань.

Дослідники з дослідницького інституту NICT Network System і компанії Fujikura Ltd, фахівці якої розробили новий тип триканального оптичного волокна, провели експеримент, під час якого було досягнуто швидкість передачі інформації в 159 Тбіт/с на відстань +1045 км. У звичайних умовах затримки при використанні багатомодового оптоволокна заважають одночасно отримувати високі швидкості передачі і здійснювати передачу на великі відстані. І це досягнення є свого роду демонстрацією нового методу подолання обмежень«Record Breaking Fiber Transmission Speed Reported» ECN, April 17, 2018.

Принцип роботи оптичного волокна

Структура Оптичний світловод — це циліндричний діелектричний хвилевід, що передає світло від одного до другого кінця усієї своєї довжини завдяки фізичному явищу повного внутрішнього відбиття. Світловід складається із серцевинного та оболонкового шару, які виготовленні із матеріалів, що забезпечують утримування світла всередині кабелю. Для забезпечення функціонування даної системи діелектриків, необхідно мати показник заломлення серцевини більший, ніж оболонки. А також, границя двох середовищ може бути нецілісною, як у волокон зі сходинковим профілем серцевини, чи згладженою, як у волокон з градієнтним профілем серцевини.

Структура оптоволоконного кабелю дуже проста й схожа на структуру коаксіального електричного кабелю. Проте, замість мідної серцевини тут використовується тонке скловолокно, а замість внутрішньої ізоляції — скляна або пластикова оболонка, що не дозволяє світлу виходити за межі збірки. У цьому випадку мова йде про режим так званого повного внутрішнього відбиття світла від границі двох речовин із різними показниками заломлення (у скляної оболонки показник заломлення значно нижче, ніж у центрального волокна).

Вплив показника заломлення

Показник заломлення — це відношення швидкостей світла у вакуумі та матеріалі, до якого належить даний показник. Промінь світла подорожує у вакуумі найшвидше за все зі швидкістю, близькою 300 000 км/с, а у діелектрику — повільніше. Це залежить від властивостей матеріалу. Тому показник заломлення для складових оптоволокна завжди більший від одиниці. Типове значення показника заломлення для оболонки становить 1.46, а для серцевини — 1.48. Чим більший показник заломлення в речовині — тим швидкість променю в ній нижча. Із вищезгаданого очевидно, що оптичний комунікаційний сигнал буде проходити приблизно 200 000 км/сек. Або, якщо сформулювати по-іншому: 1000 км сигнал пройде за 5 мс.

Щодо повного внутрішнього відбиття

Коли промінь, що подорожує в оптично густому матеріалі, натикається на перешкоду під кутом падіння, більшим ніж критичний для даного матеріалу, то світло буде повністю відбите. Цей ефект використовується в оптичному волокні для утримування світлового випромінення у межах його серцевини. Воно поширюється вздовж волоска, відбиваючись вперед та назад від границі розділу двох складових кабелю. По причині того, що промінь повинен впасти на межу розділу під певним нахилом, що є більшим за критичний кут, то тільки світло, яке увійшло у систему у межах певного діапазону напрямків, може пройти через все волокно без просочування за його межі. Вказаний діапазон напрямків називається конусом утримування волокна. Розмір конуса утримування є функцією різниці показників заломлення матеріалів серцевини та оболонки оптичної волосини.

Іншими словами, існує максимальний кут відносно осі оптоволокна, під яким світловий промінь може увійти у середовище кабелю та просунутися вздовж його серцевини. Синус максимуму цього кута є цифровою апертурою (NA) волокна. Волокно із великим NA не потребує високої точності його зрощування, і може функціонувати із іншим волокном, що має малий NA. Одномодові оптичні світловоди мають незначний NA.

кут падіння та відбиття — цифрова апертура —

Типи оптоволокна Число мод волокна визначається величиною нормованої частоти V:

,

де:

λ — довжина хвилі випромінення оптичного джерела; a — радіус серцевини хвилеводу;  — максимальне значення показника заломлення в серцевині;  — показник заломлення в оболонці.

Якщо виконується умова для величини нормованої частоти , то у волокні зі сходинковим профілем показника заломлення виконується одномодовий режим.

Одномодове волокно