Типы волокон – 3. Оптические волокна и кабели. Классификация, характеристики и материалы. Волоконно-оптические кабели и линии связи

Содержание

Оптические волокна. Классификация. / Habr

Оптические волокно стандарт де-факто при построении магистральных сетей связи. Протяженность волоконно-оптических линий связи в России у крупных операторов связи достигает > 50 тыс.км.
Благодаря волокну мы имеем все те преимущества в связи, которых не было раньше.
Вот и попробуем рассмотреть виновника торжества — оптическое волокно.

В статье попробую написать просто о оптических волокнах, без математических выкладок и с простыми человеческими объяснениями.

Статья чисто ознакомительная, т.е. не содержит уникальных знаний, всё что будет описано может быть найдено в куче книг, однако, это не копипаст, а выжимка из «кучи» информации только лишь сути.

Классификация

Чаще всего волокна подразделяют на 2 общих типа волокон
1. Многомодовые волокна
2. Одномодовые

дадим пояснение на «бытовом» уровне что есть одномод и многомод.
Представим гипотетическую систему передачи с волокном воткнутым в нее.
Нам надо передать двоичную информацию. Импульсы электричества в волокне не распространяются, ибо диэлектрик, поэтому мы будим передавать энергию света.
Для этого нам нужен источник световой энергии. Это могут быть светодиоды и лазеры.

Теперь мы знаем что мы используем в качестве передатчика — это свет.

Подумаем как свет вводится в волокно:
1) Световое излучение имеет свой спектр, поэтому если сердцевина волокна широкая (это в многомодовом волокне), то больше спектральных составляющих света попадет в сердцевину.
Например мы передаем свет на длине волны 1300нм (к примеру), сердцевина многомода широкая, то и путей распространения у волн больше. Каждый такой путь и есть моды

2) Если же сердцевина маленькая (одномодовое волокно), то путей распространения волн соотвественно уменьшается. И так как дополнительных мод гораздо меньше, то и не будет и модовой дисперсии (о ней ниже).

Это основное отличие многомодового и одномодового волокон.
Спасибо enjoint, tegger, hazanko за замечания.

Многомодовые в свою очередь делятся на волокна со ступенчатым показателем преломления (step index multi mode fiber) и с градиентным (graded index m/mode fiber).

Одномодовые делятся на ступенчатые, стандартные (standard fiber), со смещенной дисперсией (dispersion-shifted) и ненулевой смещенной дисперсией (non-zero dispersion-shifted)

Конструкция оптического волокна

Каждое волокно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления.
Сердцевина (которая и является основной средой передачи энергии светового сигнала) изготавливается из оптически более плотного материала, оболочка — из менее.

Так, например, запись 50/125 говорит о том, что диаметр сердцевины равен 50 мкм, оболочки — 125мкм.

Диаметры сердцевины равные 50мкм и 62,5мкм являются признаками многомодовых оптических волокон, а 8-10мкм, соответственно, одномодовым.
Оболочка же, как правило, всегда имеет диаметр размером 125мкм.

Как видно диаметр сердцевины одномодового волокна имеет намного меньший размер, нежели диаметр многомодового. Меньший диаметр сердцевины позволяет уменьшить модовую дисперсию (о которой, возможно, будет написано в отдельной статье, а также вопросы распространения света в волокне), а соответственно увеличить дальность передачи. Однако, тогда бы одномодовые волокна вытеснили многомоды, благодаря более лучшим «транспортным» характеристикам, если бы не необходимость использовать дорогие лазеры с узким спектром излучения. В многомодовых волокнах используются светодиоды с более размазанным спектром.

Поэтому для недорогих оптических решений, таких как локальные сети интернет-провайдеров применения многомода случается.

Профиль показателя преломления

Вся пляска с бубном у волокна с целью увеличения скорости передачи была вокруг профиля показателя преломления. Так как основным сдерживающим фактором увеличения скорости является модовая дисперсия.

Кратко суть в следующем:
когда излучение лазера поступает в сердцевину волокна, то сигнал передается по ней в виде отдельных мод (грубо: лучей света. А на самом деле разные спектральные составляющие вводимого сигнала)
Причем входят «лучи» под разными углами, поэтому время распространения энергии отдельно взятых мод различается. Это проиллюстрировано на рисунке ниже.

Здесь отображены 3 профиля преломления:
ступенчатый и градиентный для многомодового волокна и ступенчатый для одномодового.
Видно, что в многомодовых волокнах моды света распространяются по различным путям, но, из-за постоянного коэффициента преломления сердцевины с ОДИНАКОВОЙ скоростью. Те моды, которые вынуждены идти по ломанной линии приходят позже, чем моды, идущие по прямой. Поэтому исходный сигнал растягивается во времени.

Другое дело с градиентным профилем, те моды которые раньше шли по центру — замедляются, а моды, которые шли по ломанному пути, наоборот, ускоряются. Это произошло оттого, что коэффициент преломления сердечника теперь непостоянен. Он увеличивается параболически от краев к центру.
Это позволяет увеличить скорость передачи и получить распознаваемый сигнал на приеме.

Области применения оптических волокон

Многомодовое волокно Одномодовое волокно
MMF 50(62.5)/125
Градиентное
SF 9/125
ступенчатое
SF 9/125
со смещенной дисперсией
(с ненулевой смещенной дисп.)
ЛВС(GigaEther,FDDI,ATM) Протяженные ЛВС, магистрали SDH Сверхпротяженные магистрали SDH

К этому можно добавить, что магистральные кабели теперь все почти идут с ненулевой смещенной дисперсий, что позволяет использовать на этих кабелях спектральное волновое уплотнение (WDM) без нужды замены кабеля.
А при построении пассивных оптических сетей часто используют многомодовое волокно.

Спасибо тем, кто конструктивно критиковал.

PS
если будет интересно, то могут появиться статьи о
— дисперсии
— типах волоконно-оптических кабелей (не волокон)
— системах передачи, используемых для wdm/dwdm уплотнения.
— процедура сварки оптических волокон. и типы сколов.

habr.com

кварцевые и не только / ЭФО corporate blog / Habr

Время от времени на Хабре появляются различные статьи на тему волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), что неудивительно, поскольку оптическая связь сегодня является одним из основных способов передачи информации. Оптические линии связи успешно конкурируют с традиционными медными линиями и беспроводными технологиями. Именно оптическому волокну мы во многом обязаны резким увеличением объема и скорости передаваемой по всему миру информации за последние годы и, в частности, развитием Интернета. Более того, с каждым годом оптическое волокно становится все ближе к потребителю и осваивает все новые сферы применения.


Мы уверены, что каждый уважающий себя IT-специалист должен иметь хотя бы общее представление о ВОЛС, независимо от того, чем конкретно он занимается. Предлагаемая вашему вниманию статья посвящена разновидностям и классификации оптических волокон. Конечно, сейчас можно легко найти очень много разной информации на эту тему. Но, как вы увидите дальше, и нам есть что рассказать. Тем более что на Хабре пока тема оптического волокна освещена, как нам кажется, в недостаточной степени.


Компания «ЭФО» занимается поставками импортных электронных компонентов на российский рынок с 1991 года. Последние 15 лет (с 2001 г.) наша программа поставок включает волоконно-оптические и оптоэлектронные компоненты. Исторически сложилось, что основными нашими клиентами являются представители разных отраслей промышленности.

«ЭФО» имеет несколько специализированных сайтов под разные группы продукции. Оптической связи посвящен сайт infiber.ru, которым занимаются сотрудники Отдела волоконно-оптических компонентов. Сайт содержит каталог волоконно-оптической продукции, которую мы поставляем. Также здесь публикуются новости производителей и статьи, написанные сотрудниками отдела. Наш сайт создан недавно, но активно развивается.


Как уже упоминалось, в этой статье мы хотели рассказать не столько о самом оптическом волокне, сколько о его разновидностях и классификации. Большинство читателей, скорее всего, знает разницу между одномодом и многомодом, но мы хотим дать более детальную информацию, чтобы Вы могли легко ориентироваться в многообразии современных волокон и их свойствах и не испытывали затруднений с вопросами, которые возникают в практической работе, например:


  • Что означает OM4 в спецификации к оптическому волокну и чем оно отличается от OM1, OM2 и OM3?
  • Какие материалы используются при производстве волокон и кабелей? Что такое пластиковое оптическое волокно?
  • Где следует использовать волокно со смещенной дисперсией и в каких случаях дисперсия должна быть нулевой?
  • Что означают аббревиатуры POF и HCS (PCS)?

Опыт общения с заказчиками показывает, что эти и другие вещи, связанные с классификацией волокон, известны далеко не всем (напомним, наши клиенты в основном работают в промышленности и чаще всего являются специалистами каждый в своей области). Поэтому считаем, что подобная информация будет крайне полезной. Очень надеемся, что одной статьей наше совместное обсуждение темы ВОЛС на Хабре не закончится.

Немного забегая вперед, отметим, что одной из главных особенностей этой статьи мы считаем знакомство читателей с волокнами POF и HCS, поскольку 1) эти волокна набирают все большую популярность в промышленности и других сферах и 2) в отличие от традиционных кварцевых волокон они не так хорошо освещены в русскоязычном интернете.

И последнее. Недавно мы разместили на нашем сайте пять статей, в которых более подробно рассказывается об оптическом волокне и его основных типах. Кому информации, изложенной ниже, окажется недостаточно, добро пожаловать к нам на сайт!


Исходя из поставленной задачи (представить классификацию оптических волокон), мы не хотели бы сильно углубляться в теоретические основы волоконно-оптической связи. Но для того чтобы информация была понятна широкому кругу читателей, начнем все-таки с того, что представляет собой оптическое волокно, каким образом по нему передается сигнал и каковы его некоторые основные характеристики.

Оптическое волокно (оптоволокно) – это волновод с круглым поперечным сечением, по которому передается электромагнитное излучение оптического диапазона (обычно ближний ИК и видимый свет). Оптическое волокно состоит из двух основных частей: сердцевины и оптической оболочки. Диаметр этой структуры сравним с толщиной человеческого волоса. Сверху на оптоволокно наносится защитное акриловое покрытие. Для дальнейшей защиты используются различные упрочняющие и защитные элементы. Конструкция, содержащая одно или несколько оптических волокон и различные защитные элементы, покрытые общей оболочкой, называется

волоконно-оптическим кабелем.


Информационный сигнал передается по оптическому волокну в виде модулированного светового излучения. Благодаря явлению полного внутреннего отражения (вспомните школьный курс геометрической оптики), свет, попавший в оптоволокно, распространяется по нему на большие расстояния. Сердцевина и оптическая оболочка волокна изготавливаются из материалов с незначительно отличающимися показателями преломления (показатель преломления сердцевины больше). Поэтому световые волны, попавшие в сердцевину под углами, меньшими некоторого критического значения, многократно переотражаются от оболочки. Если при этом выполняются условия для распространения в волноводе (свет – это не только поток частиц, но и электромагнитная волна), то такие световые волны, называемые модами, распространяются на значительные расстояния.


Помимо разницы между показателями преломления сердцевины и оболочки важную роль играет профиль показателя преломления сердцевины, то есть зависимость величины показателя преломления от радиуса поперечного сечения оптоволокна. Если показатель преломления остается одинаковым во всех точках сечения сердцевины, такой профиль называется ступенчатым, если плавно уменьшается от центральной оси к оболочке, – градиентным. Встречаются и более сложные профили. Профиль показателя преломления оказывает большое влияние на характеристики оптического волокна как среды передачи информации.


Среди большого числа характеристик и параметров, описывающих оптическое волокно как среду передачи данных, отметим наиболее важные – затухание (потери) и дисперсию.

Затухание – это постепенное ослабление мощности оптического сигнала по мере распространения по оптоволокну, вызванное разными физическими процессами. Величина затухания имеет сложную зависимость от длины волны излучения и измеряется в дБ/км. Затухание служит одним из главных факторов, ограничивающих дальность передачи сигнала по оптическому волокну (без ретрансляции).

Дисперсия – это уширение оптического импульса, передаваемого по оптоволокну, во времени. При высокой частоте следования импульсов такое уширение на некотором расстоянии от передатчика приводит к перекрыванию соседних импульсов и ошибочному приему данных. Дисперсия ограничивает как дальность, так и скорость передачи информации.



Рассказав (или напомнив) читателю об этих базовых понятиях, перейдем к тому, ради чего все это излагалось, – к классификации оптических волокон. Существует огромное количество различных оптических волокон, поэтому сразу сделаем оговорку, что мы не будем касаться так называемых специальных волокон, используемых в научных исследованиях и разных специфических применениях, а также волокон, которые пока являются скорее технологиями будущего. Мы сосредоточимся на тех типах оптических волокон, которые уже сегодня широко используются в телекоммуникациях. А таких типа четыре.

Основными критериями, по которым проводится классификация, можно считать следующие два:


  • Материал, из которого изготавливается сердцевина и оптическая оболочка. Оптоволокно может изготавливаться не только из кварцевого стекла, но и из других материалов, в частности из полимеров.
  • Количество распространяющихся мод. В зависимости от геометрических размеров сердцевины и оболочки и величины показателя преломления в оптическом волокне может распространяться только одна или же большое количество пространственных мод. Поэтому все оптические волокна делят на два больших класса: одномодовые и многомодовые.

Таким образом, можно выделить четыре больших класса оптических волокон (ссылки ведут к соответствующим статьям на infiber.ru):


  1. Кварцевое многомодовое волокно.
  2. Кварцевое одномодовое волокно.
  3. Пластиковое, или полимерное, оптическое волокно (POF).
  4. Кварцевое волокно с полимерной оболочкой (HCS).

На рисунке ниже изображены поперечные сечения этих четырех типов волокон (соотношение размеров сохранено).


Поговорим подробнее о каждом из этих типов.


1. Кварцевое многомодовое волокно

Кварцевые волокна являются самым известным и распространенным типом оптических волокон. Поскольку многомодовые и одномодовые кварцевые волокна сильно отличаются по своим характеристикам и применению, удобнее рассмотреть их по отдельности.

Многомодовое кварцевое волокно имеет и сердцевину, и оптическую оболочку из кварцевого стекла. Как правило, такое оптоволокно имеет градиентный профиль показателя преломления. Это необходимо, чтобы снизить влияние межмодовой дисперсии. Как было показано выше, моды распространяются в оптическом волокне по разным траекториям, а значит, время распространения каждой моды также отличается. Это приводит к уширению передаваемого импульса. Градиентный профиль уменьшает разницу во времени распространения мод. За счет плавного изменения показателя преломления моды высшего порядка, которые попадают в волокно под бо́льшим углом и распространяются по более длинным траекториям, имеют и бо́льшую скорость, чем те, которые распространяются вблизи сердцевины. Полностью устранить влияние межмодовой дисперсии невозможно, поэтому многомодовое волокно уступает одномодовому по дальности и скорости передачи информации.


Рабочими для многомодового волокна обычно являются длины волн 850 и 1300 (1310) нм. Типичное затухание на этих длинах волн – 3,5 и 1,5 дБ/км соответственно.

Классификация. Кварцевое многомодовое волокно было первым типом волокна, которое стало широко применяться на практике. Распространение получили два стандартных размера многомодовых волокон (диаметр сердцевины/оболочки): 62,5/125 мкм и 50/125 мкм.

Общепринятая классификация многомодовых кварцевых волокон приводится в стандарте ISO/IEC 11801. Этот стандарт выделяет четыре класса многомодовых волокон (OM – Optical Multimode), отличающиеся шириной полосы пропускания (параметр, характеризующий межмодовую дисперсию и определяющий скорость передачи информации):


  • OM1 – стандартное многомодовое волокно 62,5/125 мкм;
  • OM2 – стандартное многомодовое волокно 50/125 мкм;
  • OM3 – многомодовое волокно 50/125 мкм, оптимизированное для работы с лазером;
  • OM4 – многомодовое волокно 50/125 мкм, оптимизированное для работы с лазером, с улучшенными характеристиками.

Фраза «оптимизированное для работы с лазером» напоминает о том, что изначальна для передачи сигнала по многомодовому волокну использовались светодиоды (LED). С появлением полупроводниковых лазеров стали разрабатываться волокна более совершенной структуры, названные оптимизированными для работы с лазерами.

Применение. Многомодовое волокно применяется в непротяженных линиях связи (обычно сотни метров), причем волокно 50/125 мкм (OM2, OM3, OM4) используется в основном в локальных сетях и дата-центрах, а волокно 62,5/125 мкм часто применяется в индустриальных сетях. В гигабитных приложениях рекомендуется применять волокна классов OM3 и OM4. Причина, по которой многомодовое волокно до сих пор не вытеснено одномодовым волокном, обладающим лучшими характеристиками, заключается в меньшей стоимости компонентов линии (активное оборудование, соединительные изделия). Цена снижается из-за большего диаметра сердцевины многомодового волокна, и, соответственно, меньших требований к точности изготовления и монтажа компонентов.


2. Кварцевое одномодовое волокно

В одномодовом волокне, как следует из названия, распространяется только одна (основная) мода излучения. Это достигается за счет очень маленького диаметра сердцевины (обычно 8-10 мкм). Диаметр оптической оболочки такой же, как и у многомодового волокна – 125 мкм. Отсутствие других мод положительно сказывается на характеристиках оптоволокна (нет межмодовой дисперсии), увеличивая дальность передачи без ретрансляции до сотен километров и скорость до десятков Гбит/с (приводим стандартные значения, а не те «рекордные», которые достигаются в исследовательских лабораториях). Затухание в одномодовом волокне также крайне низкое (менее 0,4 дБ/км).


Диапазон длин волн для одномодового волокна достаточно широк. Обычно передача осуществляется на длинах волн 1310 и 1550 нм. При использовании технологии спектрального уплотнения каналов используются и другие длины волн (об этом чуть ниже).

Классификация. Ассортимент кварцевых одномодовых волокон весьма разнообразен. Международный стандарт ISO/IEC 11801 и европейский EN 50173 по аналогии с многомодовым волокном выделяют два больших класса одномодовых волокон: OS1 и OS2 (OS – Optical Single-mode). Однако в связи с существующей путаницей, связанной с этим делением, не рекомендуем ориентироваться на эту классификацию. Гораздо более информативными являются рекомендации ITU-T G.652-657, выделяющие больше типов одномодовых волокон.

В таблице ниже представлена краткая характеристика этих волокон и их применение. Но прежде – пара комментариев. Межмодовая дисперсия, отсутствующая в одномодовом волокне, является не единственным механизмом уширения оптического импульса. В одномодовом волокне на первый план выходят другие механизмы, прежде всего, хроматическая дисперсия, связанная с тем, что ни один источник излучения (даже лазер) не испускает строго монохроматичное излучение. При этом существует длина волны, при которой коэффициент хроматической дисперсии равен нулю. В большинстве случае работа на этой длине волны оказывается предпочтительной, но не всегда.


Тип волокна Описание Применение
G.652. Одномодовое волокно с несмещенной дисперсией Наиболее распространенный тип одномодового волокна с точкой нулевой дисперсии на длине волны 1300 нм. Различают 4 подкласса (A, B, C и D). Волокна G.652.C и G.652.D отличаются низким затуханием вблизи «водного пика» («водным пиком» называют область большого затухания в стандартном волокне около длины волны 1383 нм). Стандартные области применения.
G.653. Одномодовое волокно с нулевой смещенной дисперсией Точка нулевой дисперсии смещена на длину волны 1550 нм. Передача на длине волны 1550 нм.
G.654. Одномодовое волокно со смещенной длиной волны отсечки Длина отсечки (минимальная длина волны, при которой волокно распространяет одну моду) смещена в область длин волн около 1550 нм. Передача на длине волны 1550 нм на очень большие расстояния. Магистральные подводные кабели.
G.655. Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией Это волокно имеет небольшое, но не нулевое, значение дисперсии в диапазоне 1530-1565 нм (ненулевая дисперсия уменьшает нелинейные эффекты при одновременном распространении нескольких сигналов на разных длинах волн). Линии передачи со спектральным уплотнением каналов (DWDM).
G.656. Одномодовое волокно c ненулевой смещенной дисперсией для широкополосной передачи Ненулевая дисперсия в диапазоне длин волн 1460-1625 нм. Линии передачи со спектральным уплотнением каналов (CWDM/DWDM).
G.657. Одномодовое волокно, не чувствительное к потерям на макроизгибе Волокно с уменьшенным минимальным радиусом изгиба и с меньшими потерями на изгибе. Выделяют несколько подклассов. Для прокладывания в ограниченном пространстве.

Применение. Одномодовое кварцевое волокно, безусловно, является самым распространенным типом оптоволокна. С его помощью можно организовать передачу высокоскоростного сигнала на очень большие расстояния, а применение технологии спектрального уплотнения каналов (CWDM/DWDM) позволяет в разы увеличить пропускную способность линии связи. Одномодовое волокно часто применяется и на коротких дистанциях, например, в локальных сетях.


3. Пластиковое оптическое волокно (POF)

О кварцевом оптическом волокне знают практически все. Но помимо него существует еще два типа оптических волокон, заслуживающие внимания. Прежде всего, речь идет о пластиковом, или полимерном, оптическом волокне (POF – Plastic/Polymer Optical Fiber). Это многомодовое волокно большого диаметра со ступенчатым показателем преломления, сердцевина и оболочка которого изготовлены из полимерных материалов, прежде всего, из полиметилметакрилата (по-простому, оргстекла). Чаще всего можно встретить POF с соотношением диаметров сердцевины и оболочки 980/1000 мкм.

В сравнении с кварцевым волокном POF имеет очень большие потери (100-200 дБ/км). С другой стороны, минимум потерь находится в видимом диапазоне (520, 560 и 650 нм). Это, а также очень большой размер поперечного сечения, позволяет использовать в качестве источников излучения дешевые светодиоды. Большой диаметр также значительно упрощает процесс работы с пластиковым волокном. Процесс изготовления патч-корда (оптического шнура) требует меньших навыков и времени, а все необходимые приспособления имеют значительно меньшую стоимость. На рисунке ниже представлены пластиковые патч-корды с коннекторами семейства Versatile Link (VL) от компании Broadcom Limited (ранее Avago Technologies).


Таким образом, главные преимущества пластикового волокна – это низкая стоимость компонентов и простота работы с ним. При этом POF присущи все те особенности оптического волокна, которые дают ему преимущества перед другими видами связи. В их числе невосприимчивость к электромагнитному излучению и изолирующие свойства (защита от высоких напряжений), меньшие габариты и вес.

Классификация. Хотя выпускаемые пластиковые волокна отличаются по размеру, используемым полимерам, профилю показателя преломления и другим параметрам, подавляющую часть всех пластиковых волокон составляет POF 980/1000 мкм из полиметилметакрилата.

Применение. Область применения POF – короткие низкоскоростные линии связи (до 200 Мбит/с на несколько десятков метров). Преимущества POF проявляются в тех случаях, когда простота эксплуатации и низкая стоимость линии связи важнее, чем характеристики самой передачи. POF часто используется в промышленных линиях связи, автомобильной электронике, медицине и разного рода датчиках. Кроме того, пластиковое волокно может с успехов применяться и в различных специальных/корпоративных сетях передачи данных, например, для связи в пределах квартиры или офиса (к слову, эта область применения в России пока только начинает развиваться).


4. Кварцевое волокно с полимерной оболочкой (HCS)

И, наконец, последний тип оптического волокна, с которым мы бы хотели познакомить читателей, представляет собой нечто среднее (во всех отношениях) между кварцевым и пластиковым волокном. У этого типа волокна много названий, но мы привыкли называть его кварцевым волокном с полимерной (жесткой) оболочкой и обозначать HCS (Hard Clad Silica). Также распространена аббревиатура PCS (Polymer Clad Silica).

HCS-волокно – это многомодовое оптическое волокно большого диаметра с сердцевиной из кварцевого стекла и оболочкой из полимерного материала. Наибольшее распространение в телекоммуникациях получило HCS-волокно с диаметром сердцевины и оболочки 200/230 мкм и ступенчатым показателем преломления. В других областях, таких как медицина и научные исследования, могут использоваться HCS-волокна с бо́льшим диаметром сердцевины (300, 400, 500 мкм…).


По своим оптическим характеристикам HCS-волокно также занимает промежуточное положение между кварцевым оптоволокном и POF. Минимум затухания стандартного HCS-волокна приходится на длину волны 850 нм и составляет единицы-десятки дБ/км. Для работы с HCS-волокном часто можно использовать те же активные компоненты, что и для POF (с длиной волны 650 нм) или для многомодового кварцевого волокна (светодиоды с длиной волны 850 нм).

Достаточно большой размер HCS-волокна, как и в случае POF, упрощает и удешевляет процесс работы с ним.

Классификация. Как уже упоминалось, в телекоммуникациях в основном используется HCS-волокно 200/230 мкм.

Применение. В целом, области применения HCS схожи с областями применения POF, с той лишь только разницей, что расстояние передачи при использовании HCS-волокна увеличивается до нескольких километров (благодаря меньшему затуханию).


Подведем итоги. Как видим, зачастую выбор оптического волокна для создания линии связи не ограничивается выбором одномод VS многомод. Ассортимент оптических волокон достаточно разнообразен, и в зависимости от ситуации наилучшим решением может оказаться использование того или иного типа волокна из тех, что были описаны в данной статье.

Напоследок благодарим всех читателей за внимание. Надеемся, что статья оказалась не только познавательной, но и полезной (или окажется таковой в будущем). С нетерпением ждем комментариев и вопросов.

habr.com

Оптическое волокно — Википедия

Пучок оптических волокон

Опти́ческое волокно́ — нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Волоконная оптика — раздел прикладной науки и машиностроения, описывающий такие волокна. Кабели на базе оптических волокон (волоконно-оптический кабель) используются в волоконно-оптической связи, позволяющей передавать информацию на бо́льшие расстояния с более высокой скоростью передачи данных, чем в электронных средствах связи[1]. В ряде случаев они также используются при создании датчиков.

Принцип передачи света, используемый в волоконной оптике, был впервые продемонстрирован в XIX веке, но повсеместное применение было затруднено отсутствием соответствующих технологий.

В 1934 г. американец Норман Р. Френч получил патент на оптическую телефонную систему, речевые сигналы в которой передавались при помощи света по стержням чистого стекла. В 1962 г. был создан полупроводниковый лазер и фотодиод, используемые как источник и приёмник оптического сигнала[2].

Повсеместному переходу на технологии ВОЛС мешали высокие затухания в оптическом волокне, поэтому конкуренция с медными линиями была невозможна. Только к 1970 г. компании Corning (англ.) удалось наладить коммерческое производство волокна с низким затуханием — до 17 дБ/км, через пару лет — до 4 дБ/км. Волокно являлось многомодовым и по нему передавалось несколько мод света. К 1983 году был освоен выпуск одномодовых волокон, по которым передавалась одна мода.

В России первые волоконно-оптические линии появились в Москве. Первой подводной ВОЛС стала магистраль Санкт-Петербург — Аберслунд (Дания), проложенная АО «Совтелеком» (ныне ПАО «Ростелеком»[3]).

В 2018 году исследователи из исследовательского института NICT Network System и компании Fujikura Ltd, специалисты которой разработали новый тип трехмодового (трехканального) оптического волокна, провели эксперимент, во время которого была достигнута скорость передачи информации в 159 терабит в секунду на расстояние 1045 километров. В обычных условиях задержки при использовании многомодового оптоволокна мешают одновременно получать высокие скорости передачи и осуществлять передачу на большие расстояния. И данное достижение является своего рода демонстрацией нового метода преодоления ограничений[4].

Стеклянные оптические волокна делаются из кварцевого стекла, но для дальнего инфракрасного диапазона могут использоваться другие материалы, такие как фторцирконат, фторалюминат и халькогенидные стёкла. Как и другие стёкла, эти имеют показатель преломления около 1,5.

В настоящее время развивается применение пластиковых оптических волокон. Сердечник в таком волокне изготовляют из полиметилметакрилата (PMMA), а оболочку из фторированных PMMA (фторполимеров).

Оптическое волокно, как правило, имеет круглое сечение и состоит из двух частей — сердцевины и оболочки. Для обеспечения полного внутреннего отражения абсолютный показатель преломления сердцевины несколько выше показателя преломления оболочки. Сердцевина изготавливается из чистого материала (стекла или пластика) и имеет диаметр 9 мкм (для одномодового волокна), 50 или 62,5 мкм (для многомодового волокна). Оболочка имеет диаметр 125 мкм и состоит из материала с легирующими добавками, изменяющими показатель преломления. Например, если показатель преломления оболочки равен 1,474, то показатель преломления сердцевины — 1,479. Луч света, направленный в сердцевину, будет распространяться по ней, многократно отражаясь от оболочки.

Возможны и более сложные конструкции: в качестве сердцевины и оболочки могут применяться двумерные фотонные кристаллы, вместо ступенчатого изменения показателя преломления часто используются волокна с градиентным профилем показателя преломления, форма сердцевины может отличаться от цилиндрической. Такие конструкции обеспечивают волокнам специальные свойства: удержание поляризации распространяющегося света, снижение потерь, изменение дисперсии волокна и др.

Оптические волокна, используемые в телекоммуникациях, как правило, имеют диаметр 125±1 микрон. Диаметр сердцевины может отличаться в зависимости от типа волокна и национальных стандартов.

Профиль показателя преломления различных типов оптических волокон:
слева вверху — одномодовое волокно;
слева внизу — многомодовое ступенчатое волокно;
справа — градиентное волокно с параболическим профилем

Оптические волокна могут быть одномодовыми и многомодовыми. Диаметр сердцевины одномодовых волокон составляет от 7 до 10 микрон. Благодаря малому диаметру сердцевины оптическое излучение распространяется по волокну в одной (основной, фундаментальной) моде и, как результат, отсутствует межмодовая дисперсия.

Существует три основных типа одномодовых волокон:

  1. одномодовое ступенчатое волокно с несмещённой дисперсией (стандартное) (SMF или SM, англ. step index single mode fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.652 и применяется в большинстве оптических систем связи;
  2. одномодовое волокно со смещённой дисперсией (DSF или DS, англ. dispersion shifted single mode fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.653. В волокнах DSF с помощью примесей область нулевой дисперсии смещена в третье окно прозрачности, в котором наблюдается минимальное затухание;
  3. одномодовое волокно с ненулевой смещённой дисперсией (NZDSF, NZDS или NZ, англ. non-zero dispersion shifted single mode fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.655

Многомодовые волокна отличаются от одномодовых диаметром сердцевины, который составляет 50 микрон в европейском стандарте и 62.5 микрон в североамериканском и японском стандартах. Из-за большого диаметра сердцевины по многомодовому волокну распространяется несколько мод излучения — каждая под своим углом, из-за чего импульс света испытывает дисперсионные искажения и из прямоугольного превращается в колоколоподобный.

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные. В ступенчатых волокнах показатель преломления от оболочки к сердцевине изменяется скачкообразно. В градиентных волокнах это изменение происходит иначе — показатель преломления сердцевины плавно возрастает от края к центру. Это приводит к явлению рефракции в сердцевине, благодаря чему снижается влияние дисперсии на искажение оптического импульса. Профиль показателя преломления градиентного волокна может быть параболическим, треугольным, ломаным и т. д.

Полимерные (пластиковые) волокна производят диаметром 50, 62.5, 120 и 980 микрометров и оболочкой диаметром 490 и 1000 мкм.

Волоконно-оптическая связь[править | править код]

Волоконно-оптический кабель

Основное применение оптические волокна находят в качестве среды для передачи информации в волоконно-оптических телекоммуникационных сетях различных уровней: от межконтинентальных магистралей до домашних компьютерных сетей. Применение оптических волокон для линий связи обусловлено тем, что оптическое волокно обеспечивает высокую защищённость от несанкционированного доступа, низкое затухание сигнала при передаче информации на большие расстояния, возможность оперировать с чрезвычайно высокими скоростью передачи и пропускной способностью даже при том, что скорость распространения сигнала в волокнах может быть до 30 % ниже, чем в медных проводах и до 40 % ниже скорости распространения радиоволн[5]. Уже к 2006 году была достигнута частота модуляции 111 ГГц[6][7], в то время как скорости 10 и 40 Гбит/с стали уже стандартными скоростями передачи по одному каналу оптического волокна. При этом каждое волокно, используя технологию спектрального уплотнения каналов может передавать до нескольких сотен каналов одновременно, обеспечивая общую скорость передачи информации, исчисляемую терабитами в секунду. Так, к 2008 году была достигнута скорость 10,72 Тбит/с[8], а к 2012 — 20 Тбит/с[9]. Последний рекорд скорости — 255 Тбит/с[10].

С 2017 года специалисты говорят о достижении практического предела существующих технологий оптоволоконных линий связи и о необходимости кардинальных изменений в отрасли.[11]

Волоконно-оптический датчик[править | править код]

Оптическое волокно может быть использовано как датчик для измерения напряжения, температуры, давления и других параметров. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии дают волоконно-оптическим датчикам преимущество перед традиционными электрическими в определённых областях.

Оптическое волокно используется в гидрофонах в сейсмических или гидролокационных приборах. Созданы системы с гидрофонами, в которых на волоконный кабель приходится более 100 датчиков. Системы с гидрофоновым датчиком используются в нефтедобывающей промышленности, а также флотом некоторых стран. Немецкая компания Sennheiser разработала лазерный микрофон, основными элементами которого являются лазерный излучатель, отражающая мембрана и оптическое волокно[12].

Волоконно-оптические датчики, измеряющие температуры и давления, разработаны для измерений в нефтяных скважинах. Они хорошо подходят для такой среды, работая при температурах, слишком высоких для полупроводниковых датчиков.

С использованием полимерных оптических волокон создаются новые химические датчики (сенсоры), которые нашли широкое применение в экологии, например, для детектирования аммония в водных средах[13].

Разработаны устройства дуговой защиты с волоконно-оптическими датчиками, основными преимуществами которых перед традиционными устройствами дуговой защиты являются: высокое быстродействие, нечувствительность к электромагнитным помехам, гибкость и лёгкость монтажа, диэлектрические свойства.

Оптическое волокно применяется в лазерном гироскопе, используемом в Boeing 767[источник не указан 2394 дня] и в некоторых моделях машин (для навигации). Волоконно-оптические гироскопы применяются в космических кораблях «Союз»[14]. Специальные оптические волокна используются в интерферометрических датчиках магнитного поля и электрического тока. Это волокна, полученные при вращении заготовки с сильным встроенным двойным лучепреломлением.

Другие применения[править | править код]

Диск фрисби, освещённый оптическим волокном

Оптические волокна широко используются для освещения. Они используются как световоды в медицинских и других целях, где яркий свет необходимо доставить в труднодоступную зону. В некоторых зданиях оптические волокна направляют солнечный свет с крыши в какую-нибудь часть здания. Также в автомобильной светотехнике (индикация на приборной панели).

Волоконно-оптическое освещение также используется в декоративных целях, включая коммерческую рекламу, искусство и искусственные рождественские ёлки.

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.

  1. Коробейников А. Г., Гатчин Ю. А., Дукельский К. В., Тер-Нерсесянц Е. В. Проблемы производства высокопрочного оптического волокна — Статья. — УДК 681.7.- Научно-технический вестник ИТМО. — выпуск 2(84). — март-апрель 2013
  2. Душутин Н. К., Моховиков А. Ю. Из истории физики конденсированного состояния (неопр.). Из истории физики конденсированного состояния С. 157. Иркутский государственный университет (2014).
  3. ↑ История ОАО «Ростелеком»
  4. ↑ «Record Breaking Fiber Transmission Speed Reported» ECN, 17 апреля, 2018
  5. Салифов И. И. Расчёт и сравнение сред передачи современных магистральных сетей связи по критерию латентности (задержки) // T-Comm – Телекоммуникации и Транспорт : журнал. — М.: ИД «Медиа паблишер», 2009. — № 4. — С. 42.
  6. NTT Press Release. 14 Tbps over a Single Optical Fiber: Successful Demonstration of World’s Largest Capacity. 140 digital high-definition movies transmitted in one second (неопр.) (September 29, 2006). Дата обращения 3 октября 2011. Архивировано 27 мая 2012 года.
  7. M. S. Alfiad, et al.. 111 Gb/s POLMUX-RZ-DQPSK Transmission over 1140 km of SSMF with 10.7 Gb/s NRZ-OOK Neighbours, С. Mo.4.E.2.
  8. Листвин А. В., Листвин В. Н., Швырков Д. В. Оптические волокна для линий связи. — М.: ЛЕСАРарт, 2003. — С. 8. — 288 с. — 10 000 экз. — ISBN 5-902367-01-8.
  9. ↑ Huawei представила прототип системы магистральной передачи 400G DWDM
  10. ↑ Создано оптоволокно с пропускной способностью до 255 терабит в секунду, Лента.ру (28 октября 2014).
  11. Александр Голышко, Виталий Шуб. Время чудес, или Тормоза для конца света (неопр.). ИКС медиа. Журнал ИКС (7 июля 2017). Дата обращения 21 мая 2018.
  12. ↑ TP: Der Glasfaser-Schallwandler (неопр.). Дата обращения 4 декабря 2005. Архивировано 21 августа 2011 года.
  13. Лопес Н. ., Секейра Ф. ., Гомес М. С., Рожерио Н. Н., Бильро Л. ., Задорожная О. А., Рудницкая А. М. Оптоволоконный сенсор, модифицированный графтингом молекулярно-импринтированного полимера для детектирования аммония в водных средах // Журнал «Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики». — 2015. — № 4. — ISSN 2226-1494.
  14. ↑ Научно-Производственная Компания «Оптолинк»: Новости (неопр.). Дата обращения 17 июня 2013. Архивировано 18 июня 2013 года.
  • Н.К.Душутин, А.Ю.Моховиков. Из истории физики конденсированного состояния. — Иркутск: ИГУ, 2014.
  • Листвин А. В., Листвин В. Н., Швырков Д. В. Оптические волокна для линий связи. — М.: ЛЕСАРарт, 2003. — 288 с. — 10 000 экз. — ISBN 5-902367-01-8.
  • Волоконно-оптические датчики / Под ред. Э. Удда. — М.: Техносфера, 2008. — 520 с.
  • Gambling, W. A., «The Rise and Rise of Optical Fibers», IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 6, No. 6, pp. 1084—1093, Nov./Dec. 2000
  • Gowar, John, Optical Communication Systems, 2 ed., Prentice-Hall, Hempstead UK, 1993 (ISBN 0-13-638727-6)
  • Hecht, Jeff. City of Light, The Story of Fiber Optics. — New York: Oxford University Press, 1999. — ISBN 0-19-510818-3.
  • Hecht, Jeff, Understanding Fiber Optics, 4th ed., Prentice-Hall, Upper Saddle River, NJ, USA 2002 (ISBN 0-13-027828-9)
  • Nagel S. R., MacChesney J. B., Walker K. L., «An Overview of the Modified Chemical Vapor Deposition (MCVD) Process and Performance», IEEE Journal of Quantum Mechanics, Vol. QE-18, No. 4, April 1982
  • Ramaswami, R., Sivarajan, K. N. Optical Networks: A Practical Perspective. — San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers, 1998. — ISBN 1-55860-445-6.

ru.wikipedia.org

Типы мышечных волокон

Углеводных запасов в организме хватает в среднем на 95 мин марафонского бега, тогда как жировых запасов хватит на 119 ч. Тем не менее, для утилизации жира требуется больше кислорода. В единицу времени из углеводов может быть синтезировано больше АТФ, чем из жиров. По этой причине углеводы являются самым главным источником энергии во время интенсивных нагрузок. Когда заканчиваются запасы углеводов, вклад жира в энергообеспечение работы резко возрастает, а интенсивность нагрузки снижается. В марафоне это часто происходит в районе 30-километровой отметки — после 90 мин бега.

Каждая мышца содержит различные типы мышечных волокон. Мышечные волокна сильно отличаются по своим функциям, но все они требуют энергии. Необходимо иметь представление о различиях волокон, поскольку каждый тип мышечных волокон тренируется определенным образом.

Условно мышечные волокна разделяются на два типа: красные, или медленные, волокна, которые также называются медленносокращающимися волокнами или волокнами типа I, и белые, или быстрые, волокна, которые также называются быстросокращающимися волокнами или волокнами типа II. Между мужчинами и женщинами не существует разницы в соотношении быстросокращающихся и медленносокращающихся волокон. Реакция на тренировку мышечных волокон у женщин и мужчин одинакова.

18

Красные мышечные волокна

Густо усеянные капиллярами красные мышечные волокна снабжаются энергией преимущественно аэробно. Следовательно, красные волокна обладают высокой аэробной способностью и ограниченной анаэробной. Красные волокна важны для выносливости. Они работают относительно медленно и не так быстро устают, и поэтому способны поддерживать работу в течение длительного времени.

Белые мышечные волокна

Белые мышечные волокна с умеренным содержанием капилляров снабжаются энергией преимущественно анаэробно. Белые волокна обладают высокой анаэробной способностью и относительно низкой аэробной, поэтому они максимально используются в скоростносиловых видах спорта (спринтерский бег, метания, прыжки, борьба, тяжелая атлетика). Белые волокна работают быстро и, следовательно, быстро устают. Энергичные взрывные упражнения, которые максимально задействуют белые волокна, могут поддерживаться лишь в течение короткого периода времени.

Белые волокна (волокна типа II) разделяются на волокна типа IIа и IIb. Волокна типа IIа, кроме своей высокой анаэробной способности ресинтеза АТФ, обладают также высокой аэробной способностью. Таким образом, волокна типа IIа поддерживают волокна типа I во время длительной работы на выносливость. Волокна типа IIb являются чисто анаэробными и вряд ли выполняют какую-либо функцию во время нагрузки на выносливость.

В таблице 1.2 дается сравнение свойств красных и белых мышечных волокон.

Соотношение красных и белых мышечных волокон

Чем больше количество быстросокращающихся волокон в мышцах спортсмена, тем выше его спринтерские возможности. Соотношение мед-ленносокращающихся и быстросокращающихся волокон может сильно различаться между людьми, но соотношение мышечных волокон у отдельного человека по существу неизменно. Изначально мы рождаемся либо спринтерами, либо стайерами. У спринтера соотношение медленных и быстрых волокон составляет 50/50, тогда как у марафонца соотношение медленных и быстрых волокон может составлять 90/10. На графике 5 показаны соотношения мышечных волокон у различных типов спортсменов.

Таблица 1 2 Свойства красных и белых мышечных волокон

 

Белые волокна

Красные волокна

 

 

(быстросокращающиеся)

(медленносокращающиеся)

 

 

Взрывные/спринтерские

Выносливость

 

 

способности

 

 

 

Умеренная капиллярная сеть

Плотная капиллярная сеть

 

 

Высокие анаэробные способности

Высокие аэробные способности

 

 

Низкие аэробные способности

Низкие анаэробные способности

 

 

Энергообеспечение: лактатная

Энергообеспечение: кислородная

 

 

система, фосфатная система

система

 

 

Количество белых волокон не

Количество красных волокон

 

 

увеличивается под воздействием

увеличивается под воздействием

 

 

тренировки

тренировки

 

 

Продолжительность работы малая

Продолжительность работы

 

 

 

большая

 

 

Выработка лактата высокая

Лактат не вырабатывается

 

 

С возрастом количество белых

С возрастом количество красных

 

 

волокон уменьшается

волокон не уменьшается

 

 

быстро устают

Медленно устают

 

 

Скорость сокращения высокая

Скорость сокращения низкая

 

 

Сила сокращения большая

Сила сокращения маленькая

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

От соотношения мышечных волокон зависит тип спортсмена — спринтер или стайер. Однако нельзя сказать, что это соотношение абсолютно неизменно. Следуя четко нацеленной тренировочной программе, спринтер может усовершенствовать свои аэробные качества и повысить выносливость. Правильная тренировка может увеличить количество красных волокон, что, в свою очередь, повлияет на общее соотношение красных и белых волокон. Иначе говоря, под воздействием тренировок белые волокна могут превратиться в красные.

К сожалению, обратное действие невозможно. Спортсмен на выносливость не сможет изменить состав своих мышц, выполняя нагрузки ско-ростно-силового характера. Выраженный стайер всегда будет слабее спринтера. Тем не менее, спринтер может легко превратиться в хорошего стайера, хотя вместе с повышением выносливости у него снизятся спринтерские качества.

С возрастом спринтерские способности спортсмена снижаются быстрее, чем способности к выполнению длительной работы. Скоростно-силовая работоспособность, как правило, снижается вместе с уменьшением количества быстросокращающихся волокон. Способности к выполнению длительной работы могут поддерживаться вплоть до преклонного возраста.

Тип волокна и интенсивность нагрузки

Легкая нагрузка, например ходьба, прогулка на велосипеде или бег трусцой, может поддерживаться в течение многих часов. В данном случае энергия поставляется полностью за счет аэробной системы — посредством окисления жиров в волокнах типа I. Запасы жира практически неисчерпаемы.

При нагрузке средней мощности, например во время бега или езды на велосипеде, все волокна типа I могут через какое-то время стать активными. Помимо окисления жиров повышается доля окисления углеводов, хотя энергообеспечение все еще протекает аэробным путем. Хорошо подготовленные спортсмены могут поддерживать максимальную аэробную нагрузку в течение 1-2 ч. За это время происходит полное истощение углеводных запасов.

При дальнейшем повышении интенсивности, например при соревновательном беге на 10 км, в работу вовлекаются волокна типа Па, а окисление углеводов становится максимальным. Главная роль в энергообеспечении ложится на кислородную систему, однако лактатная система также вносит свой вклад в энергообеспечение нагрузки. Лактатная система имеет в своей природе молочную кислоту как побочный продукт. До определенного уровня

интенсивности соблюдается равновесие между образованием и распадом молочной кислоты (организм еще способен перерабатывать молочную кислоту с той же скоростью, с какой ее производит).

Если уровень интенсивности, а вместе с ней и доля участия лактатной системы в энергообеспечении, продолжают расти, то возможности организма перерабатывать молочную кислоту превышаются. Вследствие накопления молочной кислоты и быстрого истощения углеводных запасов данный тип нагрузки может поддерживаться в течение ограниченного периода времени, в зависимости от тренированности спортсмена.

Во время спринтерской тренировки максимальной мощности или во время выполнения интервалов с высокой интенсивностью повышается роль мышечных волокон типа IIb. Энергообеспечение такой деятельности происходит полностью анаэробным путем с участием углеводов в качестве источника энергии. После таких тренировок сильно возрастают показатели молочной кислоты, и соответственно продолжительность нагрузки не может быть большой. Последовательность вовлечения мышечных волокон в работу представлена в таблице 1.3.

Таблица 1.3 Вовлечение мышечных волокон в работу разной интенсивности

Интенсивность

Активные волокна

Источники

Энергетические

нагрузки

 

энергии

системы

Низкая

Тип I

Жиры

Кислородная

Средняя

Тип I + IIа

Жиры и

Кислородная и

 

 

углеводы

лактатная

Высокая

Тип I + Тип IIа + IIb

Углеводы

Лактатная и

 

 

 

фосфатная

studfile.net

Характеристики и типы оптических волокон компании CORNING

Характеристики

InfiniCor® 300

ClearCurve

ОМ4

ОМ3

ОМ2

Диаметр сердцевины

62,5±2,5 мкм

50±2,5 мкм

Диаметр оболочки

125±2 мкм

125±1 мкм

Диаметр покрытия

242±5 мкм

Затухание @850нм

<2,9 дБ/км

<2,3 дБ/км

Затухание @1300нм

<0,6 дБ/км

<0,6 дБ/км

Полоса пропускания

@ 850нм

СИД
ЛД

 

 

200 МГц*км
220 МГц*км

 

 

3500 МГц*км
4700 МГц*км

 

 

1500 МГц*км
2000 МГц*км

 

 

700 МГц*км
950 МГц*км

Полоса пропускания @1300нм

СИД

 

 

500 МГц*км

 

 

500 МГц*км

 

 

500 МГц*км

 

 

500 МГц*км

Растояние передачи 1Гбит/c

300 м (550 м)

>1100 м

1000 м

750 м (850 м)

Растояние передачи 10Гбит/c

550 м (600 м)

300м (400 м)

150 м (200 м)

Растояние передачи 40/100Гбит/c

170 м

140 м (160 м)

Неконцентричность оболочки
и покрытия

<12 мкм

Некруглость сердцевины

<5 %

Некруглость оболочки

<1,0 %

Неконцентричность сердцевины

и оболочки

< 1,5 мкм

Перемотка с натяжением

0,7 ГПа

Числовая аппертура

0,275±0,015

0,200±0,015

Длина волны нулевой дисперсии

 

1332…1354 нм

1295… 1315 нм

Наклон кривой дисперсии в нулевой точке

<0,097 пс/(нм2*км)

<0,101 пс/(нм2*км)

Прирост затухания

при изгибе @850 нм
радиус 37,5 мм, 100 витков

<0,5 дБ

<0,05 дБ

Прирост затухания

при изгибе @1300 нм
радиус 37,5 мм, 100 витков

<0,5 дБ

<0,15 дБ

Прирост затухания

при изгибе @850 нм
радиус 15 мм, 2 витка

<0,1 дБ

Прирост затухания

при изгибе @1300 нм
радиус 15 мм, 12 витка

<0,3 дБ

Прирост затухания

при изгибе @850 нм
радиус 7,5 мм, 2 витка

<0,2 дБ

Прирост затухания

при изгибе @1300 нм
радиус 7,5 мм, 2 витка

<0,5 дБ

Сила снятия покрытия

2,7 Н

Рабочий диапазон температур

-60 до +85 °С

Зависимость от температуры @850/1300 нм
от -60 до +85 °С

 

<0,1 дБ/км

Параметр динамической

 усталости (Nd)

20

Действующее значение группового показателя преломления (Nэфф)

1,496 на 850 нм
1,491 на 1300 нм

1,480 на 850 нм
1,479 на 1300 нм

vols.expert

Основные типы и характеристики мышечных волокон

В этой статье давайте рассмотрим основные типы и характеристики мышечных волокон,а также выясним какое соотношение мышечных волокон преобладает у человека по половому признаку и виду физической деятельности.

Классификация скелетных мышц основана на различиях в тяжёлых цепях молекул миозина, которые преобладают в их составе. Чтобы понять о чём идёт речь и представить общую картину, взглянем на строение мышцы.

строение мышечной тканистроение мышечной ткани

Всего существует 3 типа мышечных волокон, но основные принято выделять два типа: быстрые физические (или тип II) и медленные физические (или тип I). Эти типы волокон различаются по своим метаболическим и сократительным характери­стикам. Рассмотрим подробную характеристику каждого типа.
общая характеристика мыш волоконобщая характеристика мыш волокон

быстрые-мышечные-волокнабыстрые-мышечные-волокнаБыстрые физические волокна способны развивать быстрое и сильное сокращение. Это происходит благодаря ряду особенностей их ме­таболизма, в частности более высокой скорости выброса ионов кальция, более высокой актив­ности миозиновой АТФазы и хорошо развитому саркоплазматическому ретикулуму. Скорость сокращения и развиваемое усилие быстрых физических волокон в 3—5 раз выше аналогичных показателей медленных физических волокон. Быстрые физические волокна используют как энергетический источник преимущественно глю­козу крови и собственные запасы гликогена, и по­этому участвуют главным образом в двигатель­ной активности анаэробного типа, например при выполнении подачи в волейболе, теннисе или на тренировочных занятиях силовой направлен­ности. Быстрые физические волокна могут быть разделены на две основные группы: тип A и тип B. Быстрые и медленные волокна могут содер­жать в своём составе миозиновые молекулы толь­ко с одним типом тяжёлых цепей, либо включать различные типы молекул миозина с преоблада­нием одного из них. Волокна типа А считают волокнами промежуточного типа, поскольку они обладают примерно в равной степени способно­стью производить энергию аэробным и анаэроб­ным путём, поэтому их ещё называют быстрыми волокнами окислительного типа. Волокна типа Б проявляют наиболее высокий анаэробный по­тенциал, поэтому их называют быстрыми волок­нами с гликолитическим типом окисления.медленные-мышечные-волокнамедленные-мышечные-волокнаМедленные физические волокна, или во­локна типа I, обычно участвуют в выполнении продолжительной работы, связанной с потреб­лением энергии, образованной аэробным пу­тем, — это занятия степ-аэробикой, выполнение упражнений в воде, бег на длинные дистанции, занятия на велотренажёрах в постоянном темпе. Этот тип волокон характеризуется как устойчи­вый к утомлению, тогда как быстрые физические волокна не способны к продолжительной на­грузке. Медленные волокна отличаются менее развитым саркоплазматическим ретикулумом, вследствие чего снижается скорость выброса кальция и АТФазная активность миозина, что в свою очередь замедляет гидролиз АТФ. Кроме того, медленные волокна отличаются более низ­кой способностью к гликолизу. Однако волокна типа I содержат значительное количество мито­хондрий, ферменты которых повышают их спо­собность к выполнению работы с аэробной про­дукцией энергии. Из-за высокой доли аэробного метаболизма в энергообеспечении сокращения и низкой скорости сокращения волокна типа I ча­сто называют ещё медленными волокнами окис­лительного типа. Волокна этого типа обычно хорошо снабжаются кровью благодаря развитой системе кровеносных капилляров, что является структурной и функциональной адаптацией к их значительной потребности в кислороде.

Соотношение мышечных волокон у человека

Интересно отметить, что в мышцах верхних и нижних конечностей одного человека соотноше­ние доли быстрых и медленных волокон обычно почти одинаково. Единственным исключением является камбаловидная мышца — сгибатель стопы, участвующий в ходьбе и видах деятель­ности, связанных с переносом тяжести, для чего необходимы, прежде всего, медленные волокна. У основной массы мужчин, женщин и де­тей мышцы конечностей состоят на 45—55 % из медленных мышечных волокон. Волокна типов А и Б также представлены примерно в равной мере.

Половые различия в распределе­нии различных типов мышечных волокон прак­тически отсутствуют, они проявляются лишь в абсолютных размерах мышц. Однако если речь идёт о профессиональных спортсменах высоко­го класса, здесь обнаруживаются заметные от­личия. У спринтеров проявляется тенденция к преобладанию в мышцах ног быстрых волокон, в то время как у спортсменов, которым необхо­дима высокая аэробная выносливость, наблю­дается доминирование медленных волокон. У легкоатлетов — бегунов на средние дистанции доля медленных и быстрых волокон часто почти одинакова. Преобладание определённого типа мышечных волокон является лишь одним пока­зателем, определяющим успех спортсмена, и не может использоваться как универсальное сред­ство прогноза результативности спортсмена.

Соотношение быстрых и медленных волокон в мышцах человека, очевидно, опреде­ляется уже в первые годы его жизни, т. е. явля­ется генетически предопределённым и практи­чески не изменяется до самой старости. По мере старения у людей проявляется тенденция к утра­те быстрых волокон в результате возрастных из­менений и недостаточной двигательной актив­ности.

street-sport.com

Виды волокон используемых при производстве тканей

Основу всех материалов, тканей и трикотажных полотен составляют волокна. Друг от друга волокна отличаются по химическому составу, строению и свойствам. В основу существующей классификации текстильных волокон положено два основных признака – способ их получения (происхождение) и химический состав, так как именно они определяют основные физико-механические и химические свойства не только самих волокон, но и изделий, полученных из них.

Классификация волокон

С учетом классификационных признаков волокна делятся на:

  • натуральные;
  • химические.

К натуральным волокнам относят волокна природного (растительного, животного, минерального) происхождения: хлопок, лен, шерсть и шелк.

К химическим волокнам относят волокна, изготовленные в заводских условиях. При этом химические волокна подразделяются на искусственные и синтетические.

Искусственные волокна получают из природных высокомолекулярных соединений, которые образуются в процессе развития и роста волокон (целлюлоза, фиброин, кератин). К тканям из искусственных волокон относятся: ацетат, вискоза, модал, штапель. Эти ткани прекрасно пропускают воздух, очень долго остаются сухими и приятны на ощупь. Сегодня все эти ткани активно используются производителями текстильной промышленности, а, благодаря новейшим технологиям, способны заменять натуральные.

Синтетические волокна получают путем синтеза из природных низкомолекулярных соединений (фенола, этилена, ацетилена, метана и др.) в результате реакции полимеризации или поликонденсации в основном из продуктов переработки нефти, каменного угля и природные газов.

Натуральные волокна растительного происхождения

Хлопок(Cotton) — хлопком называют волокна, растущие на поверхности семян однолетних растений хлопчатника. Он является основным видом сырья текстильной промышленности. Собранный с полей хлопок-сырец (семена хлопчатника, покрытые волокнами) поступает на хлопкоочистительные заводы. Здесь происходит его первичная обработка, которая включает в себя следующие процессы: очистку хлопка-сырца от посторонних сорных примесей (от частиц стеблей, коробочек, камней и др.), а также отделение волокна от семян (джинирование), прессование волокон хлопка в кипы и их упаковку. В кипах хлопок поступает на дальнейшую переработку на хлопкопрядильные фабрики.

Хлопковое волокно представляет собой тонкостенную трубочку с каналом внутри. Волокно несколько скручено вокруг своей оси. Поперечный срез его имеет весьма разнообразную форму и зависит от зрелости волокна.

Для хлопка характерны относительно высокая прочность, теплостойкость (130—140 °С), средняя гигроскопичность (18-20%) и малая доля упругой деформации, вследствие чего изделия из хлопка сильно сминаются. Хлопок отличается высокой устойчивостью к действию щелочей. Стойкость хлопка к истиранию невелика.

К хлопчатобумажным тканям относятся ситец, бязь, сатин, поплин, тафта, толстая байка, тонкий батист и шифон, джинсовое полотно.

Льняное волокно — льняное волокно получают из стебля травянистого растения – льна. Для получения волокна стебли льна замачивают с целью разъединения лубяных пучков друг от друга и от соседних тканей стебля путем разрушения пектиновых (клеящих) веществ микроорганизмами, развивающимися при намокании стебля, а затем мнут для размягчения древесной части стебля. В результате такой обработки получают лен-сырец, или мятый лен, который подвергают трепанию и чесанию, после чего получают техническое льняное волокно (трепаный лен).

Элементарное волокно льна имеет слоистое строение, что является результатом постепенного отложения целлюлозы на стенках волокна, с узким каналом посередине и поперечными сдвигами по длине волокна, которые получаются в процессе образования и роста волокна, а также в процессе механических воздействий при первичной обработке льна. В поперечном сечении элементарное волокно льна имеет пяти- и шестиугольную форму с закругленными углами.

Изделия изо льна очень прочные, долго не изнашиваются, хорошо впитывают влагу и при этом быстро сохнут. Но при носке очень быстро мнутся.. Чтобы уменьшить «помятость» к льняной нити добавляют полиэстер. Или смешивают лен, хлопок, вискозу и шерсть.

Льняные ткани выпускаются суровыми, полубелыми, белыми и крашеными.

Натуральные волокна животного происхождения

Шерсть(wool) — шерстью называют волосяной покров овец, коз, верблюдов и других животных. Основную массу шерсти (94-96%) для предприятий текстильной промышленности поставляет овцеводство.

Шерсть, снятая с овец, обычно очень сильно загрязнена и, кроме того, весьма неоднородна по качеству. Поэтому, прежде чем отправить шерсть на текстильное предприятие, ее подвергают первичной обработке. Первичная обработка шерсти включает следующие процессы: сортировку по качеству, разрыхление и трепание, мойку, сушку и упаковку в кипы. Овечья шерсть состоит из волокон четырех типов:

  • пуха – очень тонкого, извитого, мягкого и прочного волокна, круглого в поперечном сечении;
  • переходного волоса – более толстого и грубого волокна, чем пух;
  • ости – волокна, более жесткого, чем переходный волос;
  • мертвого волоса – очень толстого в поперечнике и грубого неизвитого волокна, покрытого крупными пластинчатыми чешуйками.

Шерсть, которая состоит преимущественно из волокон одного типа (пуха, переходного волоса), называют однородной. Шерсть, содержащая волокна всех указанных типов, называют неоднородной. Особенностью шерсти является ее способность к свойлачиванию, что объясняется наличием на ее поверхности чешуйчатого слоя, значительной извитостью и мягкостью волокон. Благодаря этому свойству из шерсти вырабатывают довольно плотные ткани, сукна, драпы, фетр, а также войлочные и валяные изделия. Шерсть обладает малой теплопроводностью, что делает ее незаменимой при производстве одежды зимнего ассортимента.

Шелк — шелком называют тонкие длинные нити, вырабатываемые шелкоотделительными железами шелковичного червя (шелкопряда) и наматываемые им на кокон. Коконная нить представляет собой две элементарные нити (шелковины), склеенные серицином – природным клеящим веществом, вырабатываемым шелкопрядом. Особенно чувствителен шелк к действию ультрафиолетовых лучей, поэтому срок службы изделий из натурального шелка при солнечном освещении резко уменьшается. Натуральный шелк используется при изготовлении тканей и, кроме этого, широко используется при выработке швейных ниток. Шелковые ткани легкие и прочные. Крепость шелковой нити равна крепости стальной проволоки того же диаметра. Шелковые ткани создают, скручивая нити различным образом. Так получаются крепы, атлас, газ, фай, чесуча, бархат. Они хорошо впитывают влагу (равную половине собственного веса) и очень быстро сохнут.

Химические волокна

Производство химических волокон и нитей включает в себя несколько основных этапов:

  • получение сырья и его предварительную обработку;
  • приготовление прядильного раствора и расплава;
  • формование нитей и волокон;
  • их отделку и текстильную переработку.

При производстве искусственных и некоторых видов синтетических волокон (полиакрилонитрильных, поливинилспиртовых и поливинилхлоридных) применяют прядильный раствор, при производстве полиамидных, полиэфирных, полиолефиновых и стеклянных волокон – прядильный расплав.

При формовании нитей прядильный раствор или расплав равномерно подается и продавливается через фильеры – мельчайшие отверстия в рабочих органах прядильных машин.

Струйки, вытекающие из фильер, затвердевают, образуя нити, которые затем наматываются на приемные устройства. При получении нити из расплава их затвердевание происходит в камерах, где они охлаждаются потоком инертного газа или воздуха. При получении нитей из растворов их затвердевание может происходить в сухой среде в потоке горячего воздуха (этот способ формования называется сухим), или в мокрой среде в осадительной ванне (такой способ называется мокрым). Фильеры могут быть различной формы (круглые, квадратные, в виде треугольников) и размеров. При производстве волокон в фильере может быть до 40 000 отверстий, а при получении комплексных нитей – от 12 до 50 отверстий.

Сформованные из одной фильеры нити соединяются в комплексные и подвергаются вытягиванию и термообработке. В результате этого нити становятся более прочными благодаря лучшей ориентации их макромолекул вдоль оси, но менее растяжимыми вследствие большей распрямленности их макромолекул. Поэтому после вытягивания нити подвергаются термофиксации, где молекулы приобретают более изогнутую форму при сохранении их ориентации.

Отделка нитей проводится с целью удаления с их поверхности посторонних примесей и загрязнений и придания им некоторых свойств (белизны, мягкости, шелковистости, снятия электризуемости).

После отделки нити перематываются в паковки и сортируются.

Искусственные волокна

Вискозные волокна – это волокна из щелочного раствора ксантогената. По своему строению вискозное волокно неравномерно: внешняя его оболочка имеет лучшую ориентацию макромолекул, чем внутренняя, где они располагаются хаотически. Вискозное волокно представляет собой цилиндр с продольными штрихами, образующимися при неравномерном затвердевании прядильного раствора.

Вискоза пользуется популярностью во всем мире среди ведущих модельеров и покупателей из-за своего шелковистого блеска, возможности окрашивания в яркие тона, мягкости и высокой гигроскопичности (35-40%), ощущении прохлады в жару.

Волокно Модал(Modal) – это модернизированное 100% вискозное прядильное волокно, удовлетворяющее всем экологическим требованиям, производится исключительно без применения хлора, не содержит вредных примесей. Разрывная прочность его выше, чем у вискозы, а по гигроскопичности он превосходит хлопок (почти в 1,5 раза) — качества, столь необходимые для тканей для постельного белья. Модал и ткани с Модалом остаются мягкими и эластичными даже после многократных стирок. Это происходит благодаря тому, что гладкая поверхность Модала не позволяет примесям (извести или моющему средству) оставаться на ткани, делая ее жесткой на ощупь. Изделия с Модалом не требуют применения при стирке смягчителей и сохраняют свои певоначальные цвета и мягкость, давая ощущение «кожа к коже» даже после многочисленных стирок.

Бамбуковое волокно(Bamboo) — регенерированное целлюлозное волокно, изготовленное из мякоти бамбука. Тонкостью и белизной напоминает вискозу, обладает высокой прочностью. Бамбуковое волокно устраняет запахи, останавливает рост бактерий и убивает их. Выделено антибактериальное вещество бамбука («бамбу бан»). Способность бамбукового волокна останавливать рост и убивать бактерии сохраняется даже после пятидесяти стирок.

Существуют два способа производства бамбукового волокна из бамбука, каждому из которых предшествует измельчение бамбука.

Химическая обработка — гидролиз-подщелачивание: Едкий натр (NaOH) преобразует мякоть бамбука в регенерированное целлюлозное волокно (размягчает её). Сероуглерод (CS2) используется для гидролиза-подщелачивания, комбинированного с многофазным отбеливанием. Этот метод не является экологически чистым, но используется наиболее часто благодаря скорости выработки волокна. Токсичные остатки процесса вымываются из пряжи в ходе последующей обработки.

Механическая обработка (такая же, как при обработке льна и конопли): Мякоть бамбука размягчается ферментами, после чего из нее вычёсываются отдельные волокна. Это дорогостоящий метод, но экологически чистый.

Волокно Лиоце́лл (Lyocell) — это целлюлозные волокна. Впервые изготовлены в 1988 году компанией Courtaulds Fibres UK на опытном заводе S25. Лиоцелл выпускается под различными коммерческими названиями: Tencel® (Тенцель) — компания Lenzing, Орцел® — ВНИИПВ (Россия, г. Мытищи).

Получение волокна лиоцелл основано на процессе прямого растворения целлюлозы в N-метилморфолин-N-оксиде.

Ткани с волокнами Лиоцелл используются при изготовлении различной одежды, чехлов для матрасов и подушек, постельного белья.

Ткани из лиоцелла имеют ряд преимуществ: они приятные на ощупь, прочные, гигиеничные и экологически чистые, более эластичные и гигроскопичные, чем хлопок. Считается, что ткани из лиоцелла могут составить серьёзную конкуренцию тканям из природных волокон.

Лиоцелл относится к новому поколению целлюлозных волокон. Хорошо впитывает влагу и пропускает воздух, обладает высокой прочностью в сухом и влажном состоянии, хорошо держит форму. Имеет мягкий блеск, присущий натуральному шёлку. Хорошо окрашивается, не скатывается, не меняет форму после стирки. Не требует особого ухода.

Синтетические волокна

Полиамидные волокна – капрон, анид, энант – наиболее широко распространены. Исходным сырьем для него являются продукты переработки каменного yгля или нефти – бензол и фенол. Волокна имеют цилиндрическую форму, поперечное сечение их зависит от формы отверстия фильеры, через которое продавливаются полимеры. Полиамидные волокна отличаются высокой прочностью при растяжении, стойки к истиранию, многократному изгибу, обладают высокой химической стойкостью, морозоустойчивостью, устойчивостью к действию микроорганизмов. Основными их недостатками являются низкая гигроскопичность и светостойкость, высокая электризуемость и малая термостойкость. В результате быстрого “старения” они на свету желтеют, становятся ломкими и жесткими. Полиамидные волокна и нити широко используются при производстве трикотажных изделий в смеси с другими волокнами и нитями.

Полиэфирное волокно — лавсан, вырабатываются из продуктов переработки нефти. В поперечном сечении лавсан имеет форму круга. Одним из отличительных свойств лавсана является его высокая упругость, при удлинении до 8% деформации полностью обратимы. В отличие от капрона лавсан разрушается при действии на него кислот и щелочей, гигроскопичность его ниже, чем капрона (0,4 %), поэтому для выработки тканей бытового назначения лавсан в чистом виде не применяется. Волокно является термостойким, обладает низкой теплопроводностью и большой упругостью, что позволяет получать из него изделия, хорошо сохраняющие форму; имеют малую усадку. Недостатками волокна являются его повышенная жесткость, способность к образованию пиллинга на поверхности изделий и сильная электризуемость.

Лавсан широко применяется при выработке тканей в смеси с шерстью, хлопком, льном и вискозным волокном, что придает изделиям повышенную стойкость к истиранию и упругость.

Полиакрилонитрильное волокно — нитрон. Полиакрилонитрильные волокна вырабатываются из акрилонитрила – продукта переработки каменного угля, нефти или газа. Акрилонитрил полимеризацией превращается в полиакрилонитрил, из раствора которого формуется волокно. Затем волокна вытягивают, промывают, замасливают, гофрируют и сушат. Волокна вырабатываются в виде длинных нитей и штапеля. По внешнему виду и на ощупь длинные волокна похожи на натуральный шелк, а штапельные – на натуральную шерсть. Изделия из этого волокна после стирки полностью сохраняют форму, не требуют глажения. Волокно нитрон обладает рядом ценных свойств: по теплозащитным свойствам оно превосходит шерсть, имеет низкую гигроскопичность (1,5%), мягче и шелковистее капрона и лавсана, стойко к действию минеральных кислот, щелочей, органических растворителей, бактерий, плесени, моли, ядерным излучениям. По стойкости к истиранию нитрон уступает полиамидным и полиэфирным волокнам.

Полиуретановое волокно – эластан или спандекс. Волокно, обладающее низкой гигроскопичностью. Особенностью всех полиуретановых волокон является их высокая эластичность — разрывное удлинение их достигает 800%, доля упругой и эластичной деформации — 92-98%. Именно эта особенность и определяет область их использования. Спандекс применяется в основном при изготовлении эластичных изделий. С использованием этого волокна вырабатывают ткани и трикотажные полотна для предметов женского туалета, спортивной одежды.

trikotaj-vikki.ru

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *