Конструкция и материал оптических волокон

9

Контрольная работа

По дисциплине: «Волокно-оптические линии передачи»

На тему: КОНСТРУКЦИЯ И МАТЕРИАЛ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

Оптические волокна можно разделить на следующие типы: кварцевые, кварц-полимерные и полимерные.

Кварцевые оптические волокна изготавливаются из высокочистого кварцевого стекла (сердечник и светоотражающая оболочка) и применяются для систем дальней, внутри - и межобъектовой связи.

Кварц-полимерные оптические волокна изготавливаются с кварцевым сердечником и полимерной светоотражающей оболочкой и предназначены для систем внутри - и межобъектовой связи.

Полимерные оптические волокна изготавливаются из полимерных материалов, имеющих высокие оптические свойства, и используются для некоторых систем внутриобъектовой связи, подсветки, декоративного оформления и в медицине.

Для изготовления оптических волокон, которые используются для передачи сигналов в основном на большие расстояния, применяются материалы, обладающие минимальными потерями и высокой прозрачностью.

Материал сердечника должен иметь очень маленькие потери на поглощение и рассеивание. Этому требованию удовлетворяют гомогенные (отсутствие каких-либо следов фазового разделения) стекла высокой чистоты и качества.

Стекло - это аморфное твердое тело, состоящее из элементов или химических соединений, которые встречаются и в кристаллическом состоянии. В кристалле эти компоненты образуют регулярную решетку (например, плавленный кварц состоит из SiO₄- тетраэдов), в стекле они составляют нерегулярный каркас.

Самым низким поглощением в видимой области и ближней инфракрасной областях длин волн среди большинства стекол обладает плавленный кварц при условии высокой степени очистки и гомогенности. Кварц имеет значительные преимущества перед остальными видами стекол из-за малых внутренних потерь на рассеивание. Высокая точка плавления кварца требует специальной технологии для изготовления оптического волокна и позволяет избавиться от различных примесей, которые испаряются при меньших температурах.

Небольшой показатель преломления плавленного кварца n=1,4585 заставляет легировать кварцевое стекло при изготовлении сердечника и светоотражающей оболочки.

Добавки увеличивают или уменьшают значение показателя преломления до необходимых значений при сохранении прочих характеристик на уровне характеристик чистого кварца.

Для уменьшения показателя преломления плавленного кварцевого стекла могут применяться добавки окиси бора, фтора, а для увеличения - окиси германия, фосфора, титана, алюминия.

Кроме неорганических материалов для изготовления оптических волокон используют стеклообразные органические высокомолекулярные полимерные материалы с продольной ориентацией молекул, которая придает пластичность волокну. К этим материалам можно отнести полиметилметакрилат, полистирол, фторополимер и др.

Для светоотражающих оболочек оптических волокон кварц-полимер могут использоваться полимерные материалы, показатель преломления которых ниже показателя преломления плавленного кварца. Эти материалы характеризуются малым поглощением в видимой и инфракрасной областях спектра. К ним относятся некоторые силиконовые полимеры и тефлон.

Для защиты оптического волокна от физических и химических воздействий внешней среды применяются защитные покрытия из полимерных материалов.

Основные требования, предъявляемые к полимерному покрытию, заключаются в следующем:

- материал покрытия должен быть достаточно жестким для того, чтобы предохранять волокно от механических повреждений;

- покрытие должно быть толстым, эластичным и однородным по всей длине волокна с тем, чтобы, являясь буфером, предохранять волокно от микродеформаций;

- материал, используемый для изготовления покрытия должен задерживать распространение механических колебаний в оболочке оптического волокна;

- покрытие должно быстро отверждаться, прежде чем волокно достигнет тяговой шайбы.

Подобрать полимерный материал, отвечающий всем требованиям, практически не представляется возможным. Поэтому защитное покрытие выполняется многослойным. Первый слой выполняется на основе эпоксидных лаков, тефлона или расплава полимера. Вторая, или основная, оболочка выполняется из фторопласта, полипропилена, нейлона, капрона, полиэтилена высокого и низкого давлений. Наиболее часто используется нейлон-12, поскольку он практически не вызывает микроизгибов оптического волокна. Между первичным и основным слоями в последнее время стали наносить демпфирующий слой из мягкого полимерного материала, например полиуретана. Демпфирующий слой сводит до минимума влияние температурны, внешнего давления, приводящих к возникновению микроизгибов, так как оптическое волокно может перемещаться внутри демпфирующего слоя. Рассмотрим типовые размеры и некоторые характеристики наиболее распространенных многомодовых и одномодовых кварцевых волокон. Многомодовые волокна классифицируются по размеру диаметров сердечника и оболочки, которые разделяет дробная черта /. Например, волокно 50/125 имеет диаметр сердечника 50 мкм и диаметра оболочки 125 мкм. Иногда информации только о размерах недостаточно, чтобы однозначно определить волокно, так как один и тот же размер может иметь различные и числовую апертуру. В табл. 1. приведены характеристики наиболее распространенных многомодовых стекловолокон.

Волокно 50/125. Это волокно (с обеими апертурами) было первым основным телекоммуникационным волокном, которое использовалось совместно с лазерными излучателями для организации связи на значительные расстояния. В настоящее время оно используется для расширения ранее созданных многомодовых магистральных систем и локальных вычислительных сетей учреждений. Из-за широкого применения 50/125 волокна оно стало своеобразным стандартом, с которым сравнивают другие многомодовые волокна.

Таблица 1

Волокно 62,5/125. С уменьшением стоимости изготовления оптических волокон данный размер получает все большее распространение при использовании их в отдельных сегментах телекоммуникационных сетей, в частности в качестве фидеров абонентского контура. Несколько больший размер диаметра сердечника позволяет использовать в качестве источников излучения светодиоды. Данное волокно наименее чувствительно к оптическим потерям вследствие микроизгибов.

Волокно 85/125. Они разработаны специально для локальных вычислительных сетей и работают от светодиодных источников.

Недостатком стекловолокна является наибольшая чувствительность к оптическим потерям вследствие изгибов.

Именно по этой причине данные стекловолокна получили наименьшее применение.

Волокна 100/140. Разработаны для низкоскоростной передачи передачи информации на незначительные расстояния в сетях с большим числом ответвлений. Большой диаметр сердечника обеспечивает максимальную эффективность при вводе излучения в стекловолокно, что прдъявляет наименьшую требовательность к оконечной заделки волокон. Однако нестандартный размер оболочки создает необходимость использования нестандартных коннекторов, которые несколько дороже аналогичных устройств для размера оболочки волокна125 мкм .

Одномодовые волокна. Часто упускают из виду, что эксперименты с одномодовыми волокнами предшествовали экспериментам с многомодовыми волокнами с градиентным профилем показателя преломления. Исследования, выполненные в 70-х годах привели к заключению, что одномодовые волокна из-за жестких требованиям при вводе излучения не имеют практической ценности, что предопределило бурное развитие многомодовых волокон. Пока еще одномодовые волокна не используются в частных и локальных вычислительных сетях. Однако и здесь активно изучается возможность их применения. Основные данные одномодовых стекловолокон приведены в табл. 2.

Таблица 2

Однако, исследования по разработке одномодовых технологий продолжались и в 1984 г. они были внедрены с большим коммерческим успехом. В настоящее время одномодовые волокна фактически заменили многомодовые во многих волоконно-оптических приложениях.

Рассмотрим процесс создания оптических волокон.

Для получения оптических волокон с малыми потерями и затуханием необходимо избавиться от примесей и получить химически чистое стекло. В настоящее время наибольшее применение получили два метода создания оптических волокон с малыми потерями: путем химического осаждения из газовой фазы и двойного тигля.

Получение волокон путей химического осаждения из газовой фазы выполняется в два этапа: изготавливается двухслойная кварцевая заготовка, а затем из нее вытягивается волокно. Заготовка выполняется следующим образом (рис. 1).

 3 1 6

5

О₂

SiCl₄

t⁰ t⁰

О 2

Ge

4

t⁰

Рис. 1. 1 - опорная трубка; 2 - нагревательный элемент; 3 - хлорированный кварц; 4 - германий; 5 - откачка газа; 6 - осаждаемые слои

Во внутрь полой трубки из кварца с показателем преломления n₂ длиной 0,5...2 м и диаметром 16...18 мм подается струя хлорированного кварца (SiCl₄) и кислорода (О₂). В результате химической реакции при высокой температуре (1500...1700⁰С) на внутренней поверхности трубки слоями осаждается чистый кварц (SiO₂). Таким образом, заполняется вся внутренняя полость трубки, кроме самого центра. Чтобы ликвидировать этот воздушный канал, подается еще более высокая температура (1900⁰С), за счет которой происходит схлопывание, и трубчатая заготовка превращается в сплошную цилиндрическую заготовку. Чистый осажденный кварц затем становится сердечником оптического волокна с показателем преломления n₁, а сама трубка выполняет роль оболочки с показателем преломления n₂.

После этого при температуре размягчения стекла (1800...2200⁰С) производится вытяжка волокна из заготовки, наложения первичного покрытия и намотка волокна на приемный барабан (рис. 2). Из заготовки длиной 1 м получается свыше 1 км оптического волокна.

Достоинством данного метода является не только получение оптического волокна с сердечником из химически чистого кварца, но и возможность создания градиентных волокон с заданным профилем показателя преломления.

1

t⁰ t⁰

2

3

Рис.2 1- заготовка; 2- волокно; 3- приемный барабан

Это осуществляется за счет применения легированного кварца с присадкой титана, германия, бора, фосфора или других реагентов. В зависимости от применяемой присадки может изменяться показатель преломления (германий увеличивает, а бор уменьшает показатель преломления). Подбирая рецептуру легированного кварца и соблюдая объем присадки в осаждаемых на внутренней поверхности трубки слоях, можно обеспечить требуемый характер изменения по сечения сердечника волокна.

При производстве оптического волокна по методу двойного тигля исключается предварительный этап изготовления заготовки, и оптическое волокно получается путем непрерывного вытягивания из расплава, содержащегося в платиновом сосуде, через филтр в дне сосуда. Для получения двухслойного волокна используются два плавильных тигля, размещенных один в другом.

Во внутреннем тигле 1 помещается расплавленное кварцевое стекло 3 с показателем преломления n₁, из которого изготавливается сердцевина волокна. Во внешнем тигле 2 расплавленное стекло 4 с показателем преломления n₂ используется для оболочки волокна. Стекло оболочки, вытекающее из фильтра внешнего тигеля, тянется вместе со стеклом сердечника, вытекающим из фильтра внутреннего тигеля, образуя, таким образом, двухслойное волокно 5, которое наматывается на приемный барабан.

Сравнивая приведенные способы получения оптического волокна, можно отметить, что первый (из газовой фазы) обеспечивает лучшее качество сердечника и позволяет получить градиентное волокно. Достоинствами второго способа (двойной тигль) является простота технологии и непрерывность процесса изготовления волокна.