Оптоволокно в нашей жизни

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Волоконная оптика - раздел оптики, рассматривающий распространение электромагнитных волн оптического диапазона по световодам - оптическим волокнам. Конструкция отдельно взятого оптического волокна достаточно проста. Сердечник из оптически более плотного материала окружен оболочкой с меньшим коэффициентом преломления и все это покрыто защитной оболочкой (рис. 1). Оптическое волокно - типичный диэлектрический волновод электромагнитных волн.

Когда поток света пересекает границу раздела двух сред с показателями преломления n₁и n₂ то, как известно, наблюдаются два явления: преломление и отражение. Если световой поток пересекает границу раздела со стороны оптически более плотной среды, то угол преломления больше угла падения. С ростом угла падения преломленный луч будет прижиматься к границе раздела. И, наконец, при определенном угле падения, называемом критическим, преломленный луч начнет скользить вдоль поверхности раздела. При углах падения, больших критического, преломленный световой поток отсутствует (в идеализированном случае), поверхность раздела приобретает свойства зеркала - вся переносимая лучом энергия остается в отраженном потоке. Это явление носит название полного внутреннего отражения (рис. 2). На эффекте полного внутреннего отражения построены все оптические волокна. Условно оптическим волокном называют световоды, диаметр которых менее 0.5 мм.

Традиционные проводные линии, коаксиальные кабели, СВЧ волноводы - все они требуют дорогих и дефицитных материалов, по меньшей мере, меди. Для изготовления стекловолокна нужны окислы кремния - самые распространенные на Земле вещества. Волокна из прозрачных пластиков также почти не нуждаются в редких материалах. Таким образом, источники сырья для производства световолокон практически не ограничены. К этому следует добавить, что по диаметру оптические кабели существенно меньше металлических. Материалы оптических кабелей не подвержены коррозии и экологически безопасны.

Волоконно-оптические кабели не восприимчивы к помехам со стороны электромагнитных полей радиодиапазонов, и сами не создают таких помех. Поэтому в плане электромагнитной совместимости - это идеальные средства передачи информации. Столь же совершенны они и по электробезопасности, поскольку переносимые в них мощности очень малы.

Для того чтобы передать свет на некоторое расстояние необходимо сохранить его мощность. Снизить потери при его передаче можно, во-первых, обеспечив достаточно оптически прозрачную среду распространения, тем самым, сведя к минимуму поглощение волны, и, во-вторых, обеспечить правильную траекторию движения луча. Первая задача в настоящее время решается с помощью применения высокотехнологичных материалов, таких как чистое кварцевое стекло. Вторая задача решается с помощью закона оптики, описанного выше.

И сердцевина, и оболочка изготавливаются из стекла или пластика. Наиболее часто (вследствие лучших характеристик) используется оптоволокно типа «стекло-стекло», когда сердцевина и оболочка изготавливаются из особого кварцевого стекла. Понятно, что стекло, используемое для оболочки, должно иметь меньший показатель преломления, чем для сердцевины. Показатель преломления стекла регулируется с помощью легирующих добавок. В оптических волокнах показатели преломления сердцевины и оболочки различаются на величину порядка 1%.

Затухание в световоде, то есть потеря мощности светового сигнала происходит, в основном, по двум причинам: поглощение и рассеивание.

Поглощение связано с возбуждением в материале световода электронных переходов и резонансов. В результате этого увеличивается тепловая энергия, накапливаемая в оптическом волокне. Поглощение зависит как от свойств материала, из которого изготавливается оптоволокно, так и от длины волны источника света.

Рассеивание меньше зависит от свойств материала и, в основном, определяется нарушением геометрической формы оптического волокна. Следствием этих нарушений является то, что часть лучей покидает оптоволокно. Интенсивность рассеивания зависит не только от качества материала, из которого изготавливается сердцевина волокна, но и от качества оболочки, так как часть сигнала, вопреки геометрической оптики, распространяется в ней (это явление связано с квантовой природой света). Бороться с этим можно за счет нанесения на оболочку поглощающего покрытия.

Гибкие жгуты волокон используются для передачи изображения и света по протяженному каналу. Область применения - медицинские и технические эндоскопы, предназначенные для визуального наблюдения внутренних органов человека и животного, а также при осмотре деталей конструкций, находящихся в труднодоступных местах (например, двигатели самолетов и автомобилей).

Жгуты для передачи изображения имеют (ориентировочно) следующие размеры:

1. Общая схема технологического процесса

Первым этапом в процессе изготовления световодов является определение подходящих по ряду параметров материалов, из которых в дальнейшем будет изготовлен световод. Для любых типов световодов необходимы материалы высокой степени однородности с максимально гладкой поверхностью раздела сердцевины и оболочки. Материал оболочки должен хорошо прилипать к сердцевине волокна. Эти два требования предотвратят чрезмерные потери света при рассеивании и при выходе света за пределы волокна. Прозрачные пластики вследствие наличия структуры рассеивают свет, что делает их не вполне пригодными для световодов большой длины, которая, правда, не характерна для волокон, передающих изображение. Хорошим материалом для оболочки и сердцевины является стекло, имеющее одно очень важное преимущество перед другими материалами - возможность широко выбора показателя преломления при помощи легирования стекла на стадии выплавки. Длина пути света в световоде больше, чем в оптических приборах, следовательно, необходимо стекло высокой прозрачности без вкраплений инородных материалов и пузырей воздуха. Высокая прозрачность стекла не всегда совместима с высоким показателем преломления: в последнем случае стекло носит желтоватый оттенок. В видимой области спектра, а именно этот диапазон оптического излучения рассматривается при переносе изображения по световоду, стеклянное волокно длиной 2 метра пропускает около 50% света, падающего на торец жгута или около 80% света, прошедшего в световод. Разность этих величин обусловлена экранированием части сечения жгута изолирующими оболочками волокон и отражением света от торца жгута. Последняя проблема может быть решена нанесением на входной торец жгута просветляющей пленки, аналогичной той, что используют при просветлении оптики. Первая же проблема решается путем уменьшения толщины внешней оболочки отдельного волокна (на толщину распространяется полуволновое ограничение).

Основными материалами являются кристаллический кварц и кварцевое стекло - различные формы оксида кремния (SiO₂). В кварцевом стекле оксид кремния находится в аморфной форме и поэтому он не растрескивается при резком перепаде температур, как кристаллический кварц, имеет чрезвычайно низкий коэффициент температурного расширения и теплопроводности. В отличие от обычного стекла, которое состоит из смеси различных компонент, кварцевое стекло состоит только из оксида кремния, а количество примесей других химических элементов чрезвычайно мало. Это приводит к тому, что кварцевое стекло обладает широким спектром пропускания (через стёкла из кварца можно даже загорать), малым поглощением света (обычное оконное стекло поглощает столько же света, сколько и кварцевое стекло толщиной в 100 метров), высокой оптической гомогенностью (однородностью), стойкостью к ионизирующим излучениям и лазерному излучению высокой интенсивности, низким коэффициентом температурного расширения (примерно в 20 раз меньше по сравнению с обычным стеклом), высокой рабочей температурой (более 1200 ^оС, что в 4 раза больше, чем для обычного стекла).

Вторым этапом производства оптоволокна является определение метода изготовления световода из выбранных материалов. Технологический процесс изготовления световодов на основе кварцевого стекла делится на два этапа. Первый этап - получение заготовки, которая представляет собой стеклянный стержень длиной порядка метра и диаметром около 10-20 мм. Второй - вытягивание световода из заготовки. Для этого существует несколько способов, каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Способы позволяют получить различный профиль показателя преломления. Волокна для передачи изображения передают не дискретные импульсы, по этой причине следует выбрать метод, позволяющий получить ступенчатый показатель преломления. Наиболее простой и хорошо отработанный путь - вытягивание волокон по методу двойного тигля, который подробно рассмотрен ниже. Вытянутое волокно наматывается на барабан, затем производится перемотка, в процессе которой волокно укладывается определенным образом в световодный жгут. На каждом отдельном этапе производится контроль параметров заготовки.

Особым образом обстоит дело с проверкой прочности световодов. Рассчитаны определенные стандартные усилия, при которых волокно не должно рваться. Казалось бы, достаточно просто перемотать волокно под нагрузкой, взятой с запасом. Порвалось - плохое, не порвалось - хорошее, можно использовать при меньших нагрузках. Однако не все так просто. Дело в том, что те дефекты, например трещины, которые до испытания не привели бы к порче волокна, могли развиться при тестировании, и при следующем приложении даже меньшей нагрузки волокно может порваться. Прогнозировать рост трещин весьма непросто, так как он зависит от среды, в которой находится волокно, и от механических нагрузок (в частности изгибов). Так что стопроцентную гарантию на волокно дать невозможно. Вообще, прямые испытания устойчивости свойств и надежности волокна провести трудно. Невозможно, например, оценить самопроизвольные изменения прозрачности, если характерный период таких изменений составляет порядка десяти лет. Чтобы решить эту проблему, световоды выдерживают при повышенной температуре, ускоряя старение.

Пристального внимания требует чувствительность незащищенного волокна к водяному пару. Это критическое свойство было обнаружено очень скоро после налаживания выпуска оптического волокна, но было также обнаружено и противодействие ему: непосредственное покрытие световода защитной пленкой толщиной несколько микрометров непосредственно в процессе вытягивания волокна. Эта защитная оболочка, в основном состоящая из полимера, полностью защищает световод. Она повышает также механическую прочность световода и его упругость. Кроме того, обеспечивается постоянство параметров при неблагоприятных окружающих условиях; без защитной оболочки они снижаются через несколько часов или дней.

Необходимо, конечно, принимать меры защиты в тех случаях, когда несколько световодов объединяются в одном кабеле, который в дальнейшем будет изгибаться и скручиваться. Это случается при намотке на барабан и при укладке. Конструкция кабеля должна быть такой, чтобы устранить механические перегрузки световода. Но опасно не только разрушение волокна, но и микроизгибы. Они возникают, когда светопроводящие волокна лежат на шероховатой поверхности при наличии растягивающей силы, и могут вызывать дополнительные световые потери. Это явление можно наблюдать в демонстрационном опыте, когда к светопроводящему волокну, туго, виток к витку намотанному на барабан, подводится видимый свет, например от He-Ne лазера. Весь барабан при этом излучает яркий красный свет, что указывает на световые потери, вызванные микро изгибами. Чтобы уменьшить механические нагрузки на волокна, был опробован ряд решений. Отдельные проводники свободно укладываются в поперечном сечении кабеля; в процессе изготовления кабеля следят за тем, чтобы волокна были несколько длиннее, чем кабель. При этом световоды лежат свободно в тонких гибких трубках или на них накладывается пористая изоляция. Слабым местом является оболочка волокон со ступенчатым показателем преломления. Ее показатель преломления, который лишь ненамного меньше показателя преломления сердечника, может в неблагоприятных случаях увеличиться при низких температурах, что вызовет нарушение условия полного внутреннего отражения и соответственно появятся дополнительные потери на излучение.

Оптическое волокно по своей физической природе является очень маленьким волноводом. В среде, свободной от напряжений и внешних сил, этот волновод будет проводить свет, инжектированный в него с минимальными потерями, или затуханием. Для изоляции волокна от таких внешних сил были разработаны два вида первых уровня защиты: свободный буфер и плотный буфер.

В конструкции со свободным буфером волокно расположено в пластиковой трубке с внутренним диаметром, который значительно больше, чем само волокно. Внутреннее пространство трубки обычно заполняется гелем. Свободный буфер изолирует волокно от внешних механических сил, воздействующих на кабель. Для многоволоконных кабелей количество таких трубок, каждая из которых содержит одно или несколько волокон, сочетается с элементами жесткости для предотвращения напряжения волокон и для уменьшения растяжения и взаимного влияния.

Другая техника защиты волокна - плотный буфер, - использует непосредственную экструзию (выдавливание) пластика вокруг базового покрытия волокна. Конструкции с плотным буфером способны выдерживать намного более сильные ударные и давящие нагрузки без повреждения волокна. Однако конструкции с плотным буфером обеспечивают более низкую защиту волокна от напряжений и изменений температуры. Будучи относительно более гибким, по сравнению со свободным буфером, плотный буфер, если установлен с резкими изгибами и перекручиванием, вызывает оптические потери, превышающие номинально допустимые вследствие микроизгибов.

Более совершенной конструкцией с плотным буфером является «гибридный» или «композитный» кабель. В композитном кабеле волокно в плотном буфере окружено арамидным волокном и оболочкой. Такие одноволоконные элементы затем покрываются общей оболочкой, которая и формирует композитный кабель.

Каждая из описанных конструкций имеет свои преимущества и недостатки. Свободный буфер обеспечивает более низкое затухание сигнала при распространении его по кабелю вследствие минимальной концентрации микроизгибов и высокий уровень изоляции от воздействия внешних сил. При длительном механическом напряжении свободный буфер обеспечивает более стабильные передающие характеристики. Конструкция с плотным буфером обеспечивает меньшие размеры, более легкий вес при одинаковой конфигурации волокна и, в общем случае, дает более гибкий, изломоустойчивый жгут.

Если оптоволоконный жгут должен иметь высокую подвижность, то его защитная оболочка может быть выполнена из нержавеющей стали или пластика в форме гибкого кольцевого шланга (наподобие душевого). Жгут так же может иметь жестко фиксированную форму. В этом случае форма и материал корпуса, содержащего волокна, определяются условиями эксплуатации.

Не зависимо от области применения оптоволоконные изделия нуждаются в механической защите. Превышение нормальных нагрузок для кабеля при монтаже может поставить волокно в состояние растяжения. Уровни механического напряжения могут вызывать потери на микроизгибах, что приводит к увеличению затухания и всевозможным эффектам усталости материала. Для обеспечения выдерживания подобных нагрузок, что обеспечивает простоту и скорость монтажа, а также длительную эксплуатацию, к конструкции волоконно-оптического жгута добавляются различные внутренние элементы жесткости. Такие элементы жесткости предохраняют волокна от напряжения, минимизируя растяжение и взаимное влияние, возможно уменьшая при этом гибгость жгута. В некоторых случаях они служат и как термостабилизирующие элементы. Запас растяжения у оптического жгута очень небольшой - до момента облома волокна, поэтому элементы жесткости должны обладать низкой степенью растяжимости при ожидаемых силах растяжения. Сопротивляемость ударам и давлению, гибкость и скручиваемость являются другими механическими факторами, влияющими на выбор элементов жесткости. Элементы жесткости, которые наиболее часто используются в волоконно-оптических кабелях - это арамидное волокно, стекловолоконные эпоксидные пруты и стальные проволоки. Относительно единицы веса арамидное волокно в пять раз прочнее стали. Оно и стекловолоконные эпоксидные пруты часто являются выбором, когда требуется полностью диэлектрическая конструкция. Следует выбирать сталь или эпоксидные пруты, когда требуется работа при низких температурах, так как они обладают лучшей температурной стабильностью.

Определение количества волокон в кабеле зависит от сферы применения будущего изделия. Внутри жгута волокна могут располагаться свободно относительно друг друга (за исключением концов жгута) - в таком случае жгут называется весьма гибким.

Для изготовления жгутов удобны волокна диаметром 50 микрон. Такие волокна достаточно прочны; укладка таких волокон относительно несложна. Более тонкие волокна ломаются при регулярной укладке.

Входные и выходные торцы уложенного жгута спекаются и полируются таким образом, что бы они были строго параллельны между собой и параллельны любому сечению распрямленного жгута. Жгут свободных гибких волокон может иметь торцы различной конфигурации. Конфигурация одного торца жгута может быть преобразована в любую другую на другом конце (можно преобразовать круг в линию и наоборот).

Если жгут не предназначен для передачи идентичного изображения, то целесообразно применять жгут с произвольной укладкой волокон из-за их значительно меньшей стоимости. При необходимости входной торец жгута может быть отшлифован по форме неплоской поверхности, изображение которой желаем передать. Противоположный конец жгута можно при этом оставить плоским.

В тех случаях, когда внешний рассеянный свет («шум») вреден, можно применять поглощающие красители, веденные в оболочку волокон. Естественно, что ведение светопоглощающего красителя ухудшает светопропускание световода.

Порядок укладки волокон может быть различным: гексагональная укладка, квадратная укладка, ромбическая укладка, укладка волокон в ряд, либо несколько рядов. Порядок укладки на входе и выходе может не совпадать. При получении изображения наблюдаемого предмета порядок укладки определяется требуемой разрешающей способностью прибора. Максимальному разрешению соответствует максимальная плотность укладки волокон.

Зависимость показателя преломления бинарной стеклообразующей системы В2О3 - SiO2 от молярной доли оксида кремния М(SiO2)

Зависимость показателя преломления плавленого кварца от молярной доли оксида германия М(GeO2)

Из большинства видов стекол самым низким поглощением в видимой области спектра обладает плавленый кварц - при условии высокой степени очистки и гомогенности (однородности по составу). Значительные преимущества кварца обусловлены малыми внутренними потерями на рассеивание. Высокая температура плавления кварца (1610 С при быстром нагреве, 1720 С при медленном), с одной стороны, требует специальной технологии для изготовления оптического волокна, а с другой - помогает избавиться от различных примесей, которые испаряются при более низких температурах. Стекла, применяемые для изготовления световодов (сердцевины и оптической оболочки), различаются показателями преломления n. В кварц (показатель преломления n = 1,4585 на длине волны 0,589 мкм) добавляется оксид бора (n = 1,4585 на длине волны 0,589 мкм), снижающий показатель преломления (рис. 8). Полученный материал может быть применен в качестве оболочки оптоволокна. Длительный отжиг (термическая обработка стекла, придающая необходимые свойства) боросиликатного стекла приводит к увеличению n. Этот материал используется для изготовления сердечника. Другой способ понизить показатель преломления плавленого кварца - добавить в него фтор. В отличие от метастабильного характера изменения этого показателя у чистого боросиликата, снижение его у боросиликатного стекла с добавкой фтора - внутреннее свойство атомов фтора в матрице SiO2. Разность показателей преломления чистого SiO2 и материала с добавкой фтора увеличивается линейно с повышением молярной концентрации фтора вплоть до нескольких процентов. Показатель преломления кварца уменьшается на 0,2% при изменении молярной концентрации фтора на 1%. При этом оптические свойства кварца не ухудшаются. Фторирование кварца позволяет уменьшить рассеивание Рэлея и минимизировать волновые потери. Однако легирование фтором увеличивает вероятность возникновения трещин и уменьшает прочность стекла, а, кроме того, делает кварц более чувствительным к диффузии водорода.
Все другие добавки к плавленому кварцу - такие, как GeO2 (рис. 9), P2O5, TiO2, Al2O3, Sb2O3 приводят к увеличению показателя преломления по сравнению с чистым кварцем без ухудшения его оптических свойств. Молярные доли этих оксидов в кварце могут меняться в пределах от 1 до 15%. Показатель преломления увеличивается на 0,001 при увеличении молярной доли GeO2 на 1%. При 20-процентной молярной концентрации двуокиси германия показатель преломления увеличивается на 1,5%.

Кварц с добавкой германия, который может быть использован в качестве материала сердцевины оптоволокна, имеет широкое окно прозрачности почти до 1,7 мкм.

Более предпочтительным в качестве легирующего материала (как более дешевого) является фосфорный ангидрид Р2О5. При добавлении к плавленому кварцу Р2О5 для образования бинарного стекла внутреннее поглощение материала и рэлеевское рассеяние увеличиваются весьма незначительно. Фосфорный ангидрид сублимируется (переходит из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое) при температуре 300 С, гигроскопичен (способен поглощать влагу из воздуха) и имеет температурный коэффициент линейного расширения почти в 25 раз больше, чем у плавленого кварца. Однако он образует с кварцем устойчивое бинарное стекло, тепловое расширение которого сравнимо с тепловым расширением чистого кварца при молярных концентрациях Р2О5 вплоть до 25%. Полученное стекло не проявляет почти никакой тенденции к ликвации - разделению однородного жидкого расплава на составляющие при остывании. Оно также устойчиво к воздействию воды (не гигроскопично). Показатель преломления фосфоросиликатного стекла увеличивается линейно (во всяком случае, для небольших содержаний оксида фосфора) с увеличением концентрации Р2О5. Начальный прирост показателя преломления при изменении молярной концентрации Р2О5 на 1% составляет 0,043%. Вязкость и температурный коэффициент линейного расширения P2O5 и SiO2 различаются, и это ограничивает количество фосфорного ангидрида, которое может быть введено в плавленый кварц для изготовления оптоволокна. При добавлении в массу кварца 1% TiO2 показатель преломления увеличивается почти на 0,026%. Двойная стеклообразующая система с добавкой в плавленом кварце хороша тем, что титан может входить в матрицу стекла с различными степенями ионизации. Причем некоторые из них обладают заметным поглощением в спектральной области, представляющей рабочий интервал оптоволокна. Добавка Ti3+ особо сильный поглотитель, и ее трудно окислить полностью. Необходима специальная термическая обработка титана при наличии воды и температуре ниже точки плавления стекла, которая приводит к образованию двуокиси титана и водорода.
Для повышения показателя преломления можно использовать оксид алюминия, потери на рассеивание у которого ниже, чем у двуокиси германия. К тому же оксид алюминия (Al2O3) очень стойкий в противоположность оксиду германия GeO2, который может образовывать летучие продукты GeO и GeCl4.

Оксид алюминия весьма стабилен, поэтому высока эффективность введения его в стекло. При изготовлении заготовки менее чувствительны к воздействию парциального давления кислорода и хлора, нежели стекло с добавками GeO2. Стекло, легированное Al2O3, обладает более низким значением вязкости, что ускоряет процессы затвердевания.

Легирование кварцевого стекла оксидом сурьмы не только позволяет получить большее возрастание показателя преломления на 1 моль легирующей добавки по сравнению с GeO2. При этом также снижается возможность образования кристаллической фазы, даже если относительный показатель преломления до и после введения Sb2O3 отличается более чем на 1,6%. Для GeO2 это значение не превышает 1,5%.

Чистота исходных веществ, применяемых для изготовления стекла, в значительной степени определяет его высокое качество по всем контролируемым параметрам. В случае с оксидными стеклами, к которым относится и кварцевое, основные потери связаны с поглощением ионами переходных металлов (ванадия, железа, хрома, меди, кобальта, никеля, марганца), а также гидроксильными группами.

Гидроксильные группы OH являются основной примесью в кварцевых стеклах, которая приводит к значительным потерям. Причина - реакция групп OH с водородом, содержащимся в атмосфере. Особенно большие потери возникают на длине волны 0,95 и 1,4 мкм, т.е. вне видимого спектра. Слабые полосы поглощения появляются на длинах волн 0,725 и 0,825 мкм. Снижения потерь в стекле можно добиться, уменьшая содержание гидроксильных групп до нескольких десятков миллиграмм на килограмм.

Влияние гидроксильных групп особенно заметно в кварцевых стеклах, легированных двуокисью германия, содержащих примеси алюминия и натрия, достигающих в натуральном кварце 1015 частиц на миллион, а в синтетическом менее 3 частиц на миллион. В кварцевом стекле, легированном P2O5 и GeO2, присутствие группы OH приводит к увеличению потерь пропорционально концентрации P2O5.

Тройные или более сложные стеклообразующие системы такие, как натрийкальцийсиликатное и натрийборосиликатное стекло, имеют низкие температуры плавления: натрийкальцийсиликатное стекло (Na2O, CaO, SiO2) 1400°C; щелочносвинцовое стекло (Na2O, PbO, SiO2) 1400°C; натрийалюминийсиликатное стекло (Al2O3, Na2O, SiO2) 1450°C; натрийборосиликатное стекло (Na2O, B2O3, SiO2) 1250°C. Эти стекла обладают также более высоким показателем преломления и могут быть модифицированы для получения материала с низким показателем преломления (для оптической оболочки). Показатели преломления натрийборосиликатного стекла можно уменьшить на 3%, натрийкальцийсиликатного на 4%, щелочносвинцового силикатного почти на 10%. При этом все модификации согласуются между собой по остальным свойствам и могут использоваться как материалы для сердцевины и оптической оболочки волоконно - оптических световодов.

Недостаток низкоплавких многокомпонентных стекол - большая вероятность загрязнения по сравнению с плавким кварцем. Это затрудняет их очистку от примесей для снижения показателя поглощения и рассеивания. Из-за низких температур при размягчении и плавлении возможно загрязнение стекла на всех стадиях производства.

Для формирования многокомпонентных оптоволокон необходимо подобрать пару стекол для сердцевины и оптической оболочки, которые удовлетворяли бы следующим требованиям:

1) Минимальные диффузионные процессы на границе раздела пары стекол, которые достигаются путем уравновешивания их состава по роду и концентрации щелочных оксидов. Это позволит максимально сохранить исходные значения показателя преломления каждого стекла из пары.

2) Максимальная совместимость пары стекол, когда на границе их раздела при вытягивании волокна и возможных последующих термообработках не возникают новообразования, газовые пузырьки и ликвация.

3) Низкотемпературное плавление при 1250-1350 С высокочистой гомогенной шихты в тигле из чистого кварцевого стекла при минимальном его растворении расплавом, особенно стекла сердцевины.

Итак, в большинстве случаев предпочтительно применять кварцевые стекла, поскольку они обладают рядом преимуществ. При этом двуокись кремния как составная часть может быть получена с очень высокой степенью чистоты. Требуемые пары подбираются исходя из экспериментальных данных, условий эксплуатации и конечной стоимости изделия.

Качество очистки силикатного стекла (SiO₂), применяемого в настоящее время в оптических волокнах с малыми потерями, приближается к принципиальному пределу, обусловленному свойствами самого стекла. Этот успех в результате выявления и устранения всех факторов, обусловливающих оптические потери. Концентрации таких включений, как медь, железо и ванадий, были снижены до нескольких долей на миллиард частиц. Концентрация загрязнения водой и гидроксогруппой (ОН) были уменьшены почти до столь же низкого уровня. Допуски сердцевины выпускаемых сейчас волокон на размеры и степень отклонения от кругового сечения меньше, чем один микрон на многие километры длины. Пузырьки и дефекты поверхности по существу устранены.

Существуют окислы, называемые структурными модификаторами, которые необходимы для того, чтобы изменять основные свойства стекла, такие, как показатель преломления, тепловое расширение, коэффициент абсорбции (характеризует способность некоторого твердого вещества захватывать другое вещество из раствора или смеси газов; захват производится во всем объеме поглотителя - абсорбента) и точка плавления. Некоторые наиболее общие типы стекол и их композиции представлены в таблице:

В следующей таблице представлены вещества, используемые в методах осаждения, конечные продукты и соотношения между показателями преломления:

Материалы, используемые при производстве волокон с кварцевой легированной сердцевиной и оптической оболочкой из боросиликатного стекла, а так же типичные значения Dn (в относительных единицах) между сердцевиной и оболочкой даны в следующей таблице (точные значения Dn зависят от режима термообработки и мольной концентрации легирующих веществ)

Стекла - не единственный прозрачный материал в видимой и инфракрасной области, прозрачны и многие полимеры. Полимеры имеют следующие преимущества: из них легко формировать элементы, в том числе и волоконные, они дешевле, при их изготовлении используются меньшие температуры, чем для стекла. Однако до недавнего времени оптические потери в полимерах были гораздо выше, чем в стекле. Тем не менее потери в полимерах могут быть уменьшены за счет сдвига полосы поглощения, связанной с колебаниями C-H (полимер в основном состоит из связей углерод-водород). Для этого необходимо заменить водород на фтор и из-за увеличения эффективной массы колебательной системы поглощение сдвинется в инфракрасную область, не используемою при передачи изображений. Таким образом, можно получить маленькое поглощение вплоть до длин волн 1,3 мкм. Подобная замена не связана с большими затратами. Стекла и полимеры - аморфные материалы; бывают волокна поликристаллические, их получают с помощью выдавливания из кристаллического стерженька на специальной машине - экструдере. Поликристаллические волокна делают обычно небольшой длины - метры-десятки метров и, как правило, используют для передачи мощного лазерного излучения.

Стекол, из которых делают стеклянные волокна, очень много, это кварцевые стекла (из оксида кремния), фторидные стекла - фториды тяжелых металлов и халькогенидные стекла. Все они работают в видимом диапазоне или в ближнем ИК и в далеком ИК (максимум до 10 микрон). Полимерные световоды - это видимый и ближний ИК-диапазоны.

Кварцевое стекло является очень хорошим материалом. Одна из причин, почему сейчас фторидные полимерные стекла не разрабатывают, хотя там потенциально возможны более низкие потери, состоит в том, что эти стекла более низкого качества. Менее стабильны, гигроскопичны. Кварцевое стекло - это материал, близкий к идеалу. Оно механически прочно, очень стабильно - может лежать десятилетиями и столетиями без изменения молекулярной структуры.

Пластиковое, или полимерное, оптическое волокно опережает стекловолокно по соотношению цена-производительность. Пластиковые световоды способны работать в широком температурном режиме - от - 40С до + 85C. Без ущерба для оптических характеристик они могут выдерживать радиус изгиба до 20 мм и не ломаются даже при радиусе изгиба в 1 мм. Такая гибкость позволяет пластиковому световоду с легкостью достигать труднодоступных мест, проникая сквозь большое количество достаточно крутых перегибов. Но пластиковое волокно имеет один существенный недостаток: сравнительно большая дисперсия светового импульса, поданного на вход. Это обстоятельство и ограничивает максимальную длину пролета сотней метров, что вполне достаточно для передачи изображения на расстояние всего нескольких метров.

Выбор материала внешней оболочки жгута

Материалы внешней оболочки подбираются исходя из условий эксплуатации и назначения устройства, в состав которого входит светопроводящий жгут. Типичными материалами являются: резина, пластик, нержавеющая сталь, полиэтилен. При необходимости все «пустоты» кабеля заполняются гидрофобным материалом - в таком случае оптические волокна будут находиться внутри жгута в зафиксированном состоянии. Добавление гидрофобных материалов увеличит прочность жгута, уменьшив при этом его подвижность. Заполнение кабеля изнутри предотвратит попадание водяных паров на поверхность световодов. На входной и выходной торцы жгута после плавления и шлифовки помещаются стальные или пластиковые кольца. Кольца придают торцам прочность. Кроме того, на кольце для удобства монтажа может быть нарезана резьба требуемого диаметра.

Выбор и описание оборудования

Приготовление шихты и плавка стекла

Существуют разные методы изготовления стекловолокна. Одной из наиболее эффективных и распространенных является технология изготовления волокна из кварцевого стекла по методу химического осаждения из газовой фазы. При изготовлении необходимо решить по крайней мере две центральные задачи. Во-первых, обеспечить чрезвычайно высокую химическую чистоту материала, составляющего сердцевину, и, во-вторых, обеспечить высокую однородность вытягиваемого волокна. Делается это следующим образом. Сначала изготавливают заготовку стеклянный стержень диаметром 5 - 15 мм, имеющий распределение показателя преломления в поперечном сечении такое же, как у будущего световода. Для получения заготовки берут вначале кварцевую трубку из высококачественного стекла. Через трубку продувают смесь газообразного тетрахлорида кремния SiCl4 и кислорода, а трубку прогревают газовой горелкой до высоких температур (вплоть до 1500 С). Тогда в результате химической реакции на внутренней поверхности трубки осаждается чистый кварц SiO2. Высокая степень химической чистоты этого кварца обеспечивается высокой чистотой газовых компонент SiCl4 и O2. Полученный тонкий слой будет служить составной частью в будущей оболочке. Затем процесс нанесения слоев на внутреннюю поверхность повторяется, но в состав газовой смеси добавляется еще тетрахлорид германия GeCl4. Тогда в осажденном слое кварца содержится некоторое количество германия, что обеспечивает более высокий показатель преломления в этом слое, который служит основой будущей сердцевины.

Затем полую стеклянную трубку с нанесенными на внутреннюю поверхность слоями кварца прогревают до размягчения, и она за счет сил поверхностного натяжения сжимается в стержень. Заготовка готова. Для того чтобы из нее получить волокно, заготовку помещают в устройство для вытяжки, где она устанавливается вертикально, и нижний конец нагревают до плавления. За этот конец производится вытяжка. Для обеспечения нужной толщины производится регулировка скорости вытяжки и температуры нагревания. Правильный подбор и поддержание нужной скорости вытяжки важны для получения волокна высокой однородности. Вытягиваемое волокно покрывают защитной оболочкой и наматывают на барабан. Если в процессе изготовления заготовки производится нагрев до более высоких температур и выбирается более высокое давление газовой фазы, так что химическая реакция происходит не только на внутренней поверхности трубки, но и в газовом потоке, то указанный метод называют модифицированным способом осаждения из газовой фазы. Если слои с примесью германия наносятся так, что показатель преломления n1 в сердцевине постоянен по сечению сердцевины, то тогда распределение показателя преломления в волокне называется ступенчатым. Если концентрация германия изменяется так, что показатель преломления сердцевины плавно уменьшается вдоль радиуса, проведенного от центральной оси к оболочке, то такое волокно называется градиентным. Градиентное волокно не применяется при изготовлении световодов для передачи изображения. Из отдельных волокон могут быть изготовлены кабели различного сечения, содержащие до нескольких тысяч отдельных волокон.

Метод изготовления оптоволокна независимо от целей его использования должен обеспечивать малые потери в волокне. Процесс приготовления из выбранных ранее материалов готового к использованию волокна должен быть разделен на несколько стадий, для того чтобы обеспечить поэтапные контроль хода процесса. В процессе, относящемуся к многокомпонентным стеклам с низкой температурой плавления, стекло готовят в большой плавке, а волоконный световод формируют на втором, отдельном этапе. В процессе приготовления световода из кварцевого стекла, используется заготовка, содержащая материал как сердцевины, так и оболочки, образованных методом осаждения из газовой фазы. В дальнейшем такая «двойная» заготовка перетягивается в волоконный световод. Можно применять иной процесс: из заготовки однородного состава вытягивается в световод, который затем покрывается пластиком, образующим отражающую оболочку. При передачи изображения используется кабель из таких стеклопластиковых волокон, следовательно, для лучшей изоляции отдельного волокна, т.е. для предупреждения просачивания света в соседние волокна, пластиковую оболочку можно покрыть тонким слоем металла, используя для этого хорошо отработанный метод электролиза.

Для изготовления световода любого типа требуется расплавленное стекло. Для ускорения плавки кристаллический SiO2 может быть предварительно измельчен, иными словами необходимо приготовить кремниевую пудру (рис. 10).

При необходимости в измельченный кремний до плавки могут быть введены кристаллические добавки в виде порошка. Таким образом, можно добиться максимально равномерного распределения легирующих добавок в стекле. Измельчение веществ производится механически в узком промежутке между массивными, движущимеся друг относительно друга поверхностями (жернова). Порошок может быть пропущен через механизм многократно. Ширина зазора между поверхностями должна быть переменой для улучшения качества измельчения и ускорения процесса приготовления порошка.

Далее порошкообразное стекло с добавками (шихта) отправляется на плавку. Шихту нагревают в тигле до плавления; затем, перемешивая, добиваются получения однородной смеси. Нагревание тигля может производиться тепловым излучением от стенок электропечи, либо передачей энергии высокочастотного излучения тиглю. В последнем случае тигель должен быть изготовлен из проводящего тугоплавкого материала, например платины. При использовании ВЧ метода стекло предварительно должно быть нагрето до температуры, при которой оно начинает проводить ток. Использование ВЧ метода имеет следующее важное преимущество над плавкой стекла: тигель, оставаясь относительно холодным, не загрязняет стекло своими примесями. Во время плавки (любым методом) следует использовать изоляцию (из кварцевого стекла), препятствующую загрязнению атмосферы плавильного цеха и предохраняющую приготовленный расплав от попадания примеси извне. Подобные защитные «рубашки» носят название «лайнеры».

Наиболее простой метод - плавка шихты в тигле из кварцевого стекла, в электрической печи. Такое оборудование относительно дешево, к тому же легко достигается стерильность окружающей среды. Система легко может быть изолирована от атмосферы лаборатории. Можно изготовить тигли высокой степени чистоты и любых необходимых размеров. Недостаток метода состоит в том, что тигель может быть использован только один раз. Повторное использование невозможно по причине того, что компоненты стекла взаимодействуют со стенками тигля, разрушая их в процессе плавления. Кварцевый тигель не может быть охлажден до комнатной температуры без растрескивания: коэффициенты линейного расширения оставшегося на стенках расплава стекла и нагретого кварца тигля значительно различаются. При работе с платиновым тиглем та же электрическая печь допускает его многократное использование. Однако свободная платина в виде небольших кристаллов может выпасть в стеклянном расплаве.

В электрической печи энергия переносится от стенки печи к тиглю посредством теплового излучения. Для применения ВЧ метода используют «матрешку»: платиновый (или кварцевый) тигель помещают для стерильности внутрь кварцевого сосуда (рис. 11). Тепло подводится от ВЧ источника энергии с помощью катушки индуктивности, внутри которой помещен кварцевый сосуд.

Для получения максимально чистого стекла (без загрязнения материалом тигля) необходимо использовать частоты порядка 5МГц (вместо 100 КГц) для передачи энергии непосредственно стеклу. Первоначально шихта плавится тепловым излучением графитового индуктора, который располагается под тиглем и нагревается высокочастотным излучением. Индуктор нагревает стекло до токопроводящего состояния (в таком состоянии стекло начинает поглощать ВЧ излучение), затем графитовый блок убирается и стекло нагревается непосредственно ВЧ излучением в течение всего остального времени плавки. Тигель во время плавки остаётся достаточно холодным. ВЧ излучение поглощается в тороидальной области внутри самого расплавленного стекла. Загрязнение веществом тигля и растворение тигля минимально. Негативная сторона использования такого оборудования состоит в том, что нагрев, температура и вязкость расплава не постоянны по объему. Получение однородного стекла таким способом затруднено.

В каждом из методов плавки после начальной стадии нагрева, в которой порошок плавится и из карбонатов выделяется двуокись углерода, оставляя окислы, следует несколько последующих стадий, в которых необработанное стекло улучшают до такой степени, чтобы оно было пригодно для производства волоконных световодов. Стекло должно быть однородным и прозрачным. Для гомогенизации стекла необходимо перемешивание расплава, до плавления порошки так же хорошо перемешиваются. Перемешивание производится с помощью металлической (платиновой) или керамической механической мешалки, конструкция которой аналогична конструкции миксера. Сам тигель может быть установлен на вращающемся основании, заставляющем его прецессировать. Иной способ перемешивания газа - применение барботирующей установки: пузырьки нерастворяющегося в расплаве стекла газа поднимаются вверх по тиглю со стеклянным расплавом, перемешивая его.

За стадией перемешивания следует стадия осветления, на которой из расплава удаляют оставшиеся пузырьки газа (расплав в нагретом состоянии выдерживают некоторое время, дав возможность остаточному газу самопроизвольно подняться на поверхность). Как только стекло станет прозрачным и однородным, оно готово для передачи на стадию вытягивания жилы световода. До перехода на стадию вытягивания стекло проходит контроль на состояние окисления примесей и содержания OH-групп.

После стадии осветления стекло должно храниться до загрузки в установку для вытягивания волоконных световодов в виде заготовок некоторой формы. Наиболее удобный способ получения таких заготовок - вертикальное вытягивание стержней из расплава, содержащегося в тигле (рис. 12). Стержни формируются посредством погружения затравочного стержня в расплав и медленное вытягивание его верх сквозь охлаждающее кольцо. Загустевшее стекло вытягивается вслед за затравочным стержнем и застывает в форме прута диаметрои 5-10 мм. Длина прута - несколько метров. В виде прутьев стекло сохраняется в чистых комнатах или в иных стерильных условиях (кварцевых трубках).

Оптоволоконные жилы вытягиваются из заготовок методом двойного тигля. Установка из двух тиглей (обычно платиновых), расположенных один в другом, имеет соосную схему расположения.

Каждый тигель имеет в своём основании круглое сопло, расположенное по центру (внутреннее тщательно центрируется относительно внешнего и располагается приблизительно на 1 см выше нижнего). Внутренний (верхний) тигель заполняется стеклом, предназначенным для сердцевины оптоволоконной жилы, внешний - стеклом (пластиком, оргстеклом, полимером) для оболочки волоконного световода. Под действием гравитации расплавленное стекло из внутреннего тигля втекает через внутреннее сопло в стекло сердцевины. Из нижнего сопла стекло сердцевины вытекает, будучи окруженным стеклом оболочки. После застывания имеем нить, представляющую собой двухслойный стеклянный (пластиковый) волоконный световод с одноступенчатым профилем показателя преломления. Тиглей может быть больше двух (многоступенчатый профиль распределения n), однако количество их ограничено. Для получения световода со ступенчатым показателем преломления по методу двойного тигля следует выбирать пары стекол сердцевина-оболочка таким образом, чтобы не происходила взаимная диффузия стекол. В противном случае профиль показателя преломления будет непрерывным - градиентным.

Загрузка двойного тигля должна проводиться с соблюдением ряда условий. Тигель должен быть наполнен стеклом в расплавленном состоянии, не внося в него таких загрязнений, как переходные металлы, вода, пузырьки газа. Первый способ «чистой» загрузки состоит в том, что вырезаются блоки стекла, по возможности наилучшим образом согласующиеся с формой и размерами тиглей. Возможна полировка их поверхностей для снижения вероятности захвата частиц, но с риском внесения примесей в процессе полировки. Затем загруженные блоки медленно расплавляют в тиглях, что даёт возможность для выхода газовых пузырей. Второй способ - заполнение тигля непосредственно расплавом стекла. Практически такой способ трудно осуществить: при рабочих температурах стекло слишком вязкое, лить его в небольшой сосуд затруднительно. Во время переливания высока вероятность захвата расплавом примесей. Третий способ - использование стеклянных прутов диаметром несколько миллиметров. Такой пруток изготавливается вытягиванием с затравочным стержнем из тигля с расплавленным стеклом (способ рассмотрен выше). Пруток загружается в нагретый двойной тигель без захвата пузырей при условии, что скорость загрузки контролируется таким образом, чтобы конец прутка успел нагреться до температуры окружающей среды прежде, чем он погрузится в расплав. Необходимо так же постоянно контролировать чистоту поверхности световодного прута для предотвращения захвата вредных примесей между вытягиванием и загрузкой. При использовании одиночного высокочастотного тигля для изготовления световодных прутов и двойного тигля для вытягивания световодов процесс изготовления последних можно сделать непрерывным.