Оптическое волокно (версия DmitriyRDS)

Связка оптических световодов. Теоретически, при использовании передовых технологий, таких как DWDM, с ограниченным количеством волокон, можно получить достаточную пропускную способность, с помощью которой легко было бы передать всю необходимую информацию, в которой нуждается планета (около 100 терабит в секунду, всего в одном оптическом волокне. )

Оптическое волокно — кварцевое, стеклянное или полимерное волокно, предназначенное для передачи света на расстояние. В качестве световодов могут использоваться также трубки с зеркальным внутренним покрытием.

Нити из оптически прозрачного материала используются для передачи информации световыми импульсами с использованием эффекта полного внутреннего отражения.

Введение

Оптические волокна используются в сетях передачи данных вместо металлических проводов, т. к. сигналы проходят по ним с меньшими потерями, и они совершенно не подвержены действию внешних электромагнитных излучений; они имеют меньший вес и стоимость в эквивалентном информационном применении. Оптические волокна могут использоваться для локального освещения. Оптические волокна, собранные в пучки и упакованные в виде многоволоконных световодов, могут использоваться для передачи изображения, позволяя рассматривать, фотографировать или передавать оптическое изображение с труднодоступных объектов.

Специально разработанные оптические волокна используются для применения в других целях, например оптические волокна для передачи мощного лазерного излучения, всевозможные оптоволоконные датчики и др. Оптоволоконные кабели (состоящие из определённого количества волокон в защитной оболочке) используются в волоконно-оптической связи, позволяющей передавать информацию на бо́льшие расстояния с более высокой скоростью передачи данных, чем в проводных электронных системах связи. Такие кабели имеют меньший вес и меньшую стоимость, нежели традиционные медные.

Принцип передачи света внутри стеклянных стержней был впервые продемонстрирован во времена королевы Виктории (1837—1901 гг.), но развитие современных оптических волокон началось в 1950-х годах, когда появились успехи в получении сверхчистого кварца, чувствительных полупроводниковых фотоприёмников и твёрдотельных полупроводниковых излучателей. Они стали использоваться в средствах связи несколько позже, в 1970-х; с этого момента технический прогресс позволил значительно увеличить диапазон применения волоконной оптики, заметно снизилась стоимость систем оптоволоконной связи и потери сигнала при его передаче.

Волоконно-оптические приборы могут быть пассивными и активными. К активным волоконно-оптическим приборам относятся лазеры, приёмники излучения, усилители и др. К пассивным волоконно-оптическим компонентам относятся: оптические изоляторы, зеркала, соединители, оптические ответвители, оптические мультиплексоры, оптические демультиплексоры и др.

Основой волоконно-оптического прибора является его оптическая схема — набор волоконно-оптических компонент, соединенных в определённой последовательности. Оптические схемы могут быть замкнутые или разомкнутые, с обратной связью или без нее.

История

Рис.1, Дэниел Колладон сначала описал этот эффект в 1842 году, в статье, названной "О распространении луча света в параболическом жидком потоке". Иллюстрация взята из более поздней статьи Colladon, в 1884

‎

Попытки использовать свет, для передачи информации уходят к временам, когда человек только научился сохранять огонь. Всевозможные сигналы, с помощью костров, фонарей, маяков человечество использовало тысячелетия.

В 1790 году, во Франции, Колд Шапп построил систему оптического телеграфа состоящую из цепи семафорных башен с сигнальными рычагами. Следующий большой шаг сделал в 1880 году американец Александр Грэхем Белл. Он изобрёл фотофон, в котором речевые сигналы передавались с помощью света. Однако эта идея не нашла практического применения. Погода и состояние атмосферы не позволяли гарантированно передавать сигнал на приемлемые расстояния. Атмосфера, как среда передачи была неудобна.

Дэниел Колладон ещё в 1842 году описал эффект названный "световой фонтан" или "световая труба", а в 1870 году, английский физик Джон Тиндаль продемонстрировал (см. Рис.1), что свет может передаваться в потоке воды. В его экспериментах использовался принцип полного внутреннего отражения, который используется в современных световодах.

Следующим заметным этапом был патент, который получил в 1934 году американец Норман Р. Френч на оптическую телефонную систему. Он предлагал модулировать речевыми сигналами свет и передавать его по системе «кабелей» состоящих из стержней изготовленных из чистого стекла. Для реализации этого проекта необходимо было иметь подходящий источник излучения и возможность изготовления сверхчистого материала для светопроводящих стержней. Технически реализовать его идею удалось только спустя четверть века.

В 1958 году американцы Артур Шавлов и Чарльз Г. Таунс, и независимо советские физики Прохоров и Басов разработали лазер. Первые лазеры начали работать в 1960 году. Позже, в 1962 году советский учёный Ж. Алфёров предсказал возможность создания гетеропереходов и построение на их основе полупроводниковых лазерных излучателей. Позже были созданы полупроводниковые светодиодные и лазерные излучатели. К этому времени уже были разработаны полупроводниковые фотодиоды. Но для построения эффективных сетей передачи данных необходимо было иметь световоды с коэффициентом затухания не более 20 дБ/км. Лучшие на то время световоды использующиеся в медицине для прямой передачи изображения на короткие расстояния составляло порядка 1000 дБ/км.

Прорыв был произведён в 1970 году компанией Corning. Они получили оптические волокна со ступенчатым профилем показателя преломления с коэффициентом затухания на длине волны 633 нм. менее 20 дБ/км. Уже к 1972 году удалось уменьшить коэффициент затухания на длине волны 850 нм. до 4 дБ/км. Современные многомодовые волокна имеют коэффициент затухания на длине волны 850 нм. не более 2,7 дБ/км., одномодовые волокна имеют коэффициент затухания на длине волны 1550 нм. не более 0,2 дБ/км.

Первые волоконно-оптические кабели были пущены в эксплуатацию для телефонной связи на кораблях военно-морского флота США в 1973 году. Позже они стали активно использоваться в авиации, позволяя полностью исключить помехи в каналах передачи данных и при этом существенно уменьшить вес оборудования.

Первый стандартный подводный волоконно-оптический кабель (ТАТ-8) был успешно проложен через Атлантический океан в 1988 году

Профили волоконных световодов

Основные профили оптического волокна:

• - ступенчатый профиль,
• - треугольный профиль,
• - параболический профиль.

При ступенчатом профиле, показатель преломления в материале сердцевины N1 и в материале оболочки N2 остаётся постоянным, для остальных случаев, показатель преломления постепенно уменьшается от величины N1 вдоль оси волоконного световода, до величины N2 для материала оболочки. Последние называют градиентным профилем распределения показателя преломления в волокне.

Типы оптических волокон

В настоящее время используют два типа оптического волокна: многомодовые и одномодовые. Все современные оптические волокна использующиеся для построения сетей передачи данных имеют одинаковый внешний диаметр равный — 125 мкм. Для механической защиты волокна покрывают оболочкой (первичное буферное покрытие) её толщина — 250 мкм. Для упрощения работы с многоволоконными кабелями, буферное покрытие волокон находящихся в одном кабеле окрашивают в различные цвета. Для кабелей в которых используется большое количество волокон, оптические волокна склеиваются в плоские шлейфы (чаще всего по 8 волокон). Далее эти шлейфы укладывают параллельно в «стопки» и помещают в специальные полости внутри оболочки кабеля. Таким образом достигается максимально плотная паковка волокон в кабель с ограниченным внешним диаметром. Оптические волокна использующиеся для кабелей предназначенных для прокладки внутри помещений и для кабелей применяемых для изготовления соединительных шнуров, обычно покрывают ещё одной оболочкой (вторичное буферное покрытие), её толщина — 900 мкм. В многоволоконных кабелях эту оболочку так-же делают различных цветов.

Многомодовые волокна

Рис.1,Распространение света через многомодовое оптическое волокно

Рис.2, многомодовое оптическое волокно - G 50/125мкм

Многомодовое волокно — волокно с большим диаметром сердцевины по которой проходит свет. Такое название объясняется спецификой прохождения электромагнитной волны по сердечнику волокна (см. ниже). В стандартном многомодовом волокне со ступенчатым профилем преломления, лучи света распространяются по сердцевине волокна благодаря эффекту полного внутреннего отражения. При этом, лучи света встречающие границу (торец оптического волокна) под острым углом (измеренным относительно осевой линии), входя во внутрь волокна, полностью отражаются, двигаясь в сердцевине волокна. Критический угол (максимальный угол для полного внутреннего отражения) определяется средой преломления между материалами оболочки и сердцевины волокна. Лучи, которые сталкиваются с границей под углом большим, чем критический, преломляются, проходя из сердцевины в оболочку, и не передают свет, т. е. информацию вдоль волокна. Критический угол равен максимальному углу входящего в волокно излучения и зависит от величины диаметра сердцевины волокна. Высокая числовая апертура (диаметр сердцевины) вынуждают свет проходящий под различными углами, подвергаться эффекту дисперсии, при этом происходит существенное наложение лучей света в сердцевине. Большой диаметр сердцевины увеличивает дисперсию, поскольку лучи под различными углами имеют различные длины траекторий и поэтому затрачивают различное время на прохождение всей длины волокна.

МОВ состоят из сердцевины и оболочки. Снаружи волокна имеют до нескольких защитных буферных покрытий (оболочек).

Структура стандартного многомодового оптического волокна G 50/125 (G 62,5/125) мкм в соответствии со Стандарт EN 188200; Стандарт VDE 0888, часть 105; Рекомендация МСЭ-Т (ITU-T) G.651; Стандарт МЭК “IEC 60793-2”:

1. диаметр светопроводящего ядра (сердцевины) 50 (62,5) ± 3 мкм;
2. допуск на некруглость 3 мкм;
3. внешний диаметр оптического волокна 125 ± 2 мкм;
4. допуск на некруглость 2,5 мкм;
5. допуск на эксцентриситет между сердцевиной и внешним диаметром волокна 3 мкм;
6. внешний диаметр первичной защитной оболочки 250 ± 10 мкм;
7. внешний диаметр вторичной защитной оболочки 900 ± 10 мкм

Многомодовые волокна со ступенчатым профилем

Первые волокна для передачи данных были многомодовыми со ступенчатым профилем показателя преломления. Для распространения света благодаря полному внутреннему отражению, необходимо иметь показатель преломления стекла сердцевины n₁, немного большим, чем показатель преломления стекла оболочки n₂. На границе раздела двух стеклянных сред должно выполняться условие: n₁ > n₂. Если показатель преломления сердцевины оптического волокна n₁ одинаков по всему поперечному сечению, то тогда говорят, что волокно имеет ступенчатый профиль. Такой волоконный световод является многомодовым. Импульс света, распространяющийся в нем, состоит из многих составляющих, направляемых в отдельных модах световода. Каждая из этих мод возбуждается на входе волокна под своим определённым углом ввода в световод и направляется по нему вдоль сердцевины, проходя с различным траекториями движения луча. Каждая мода проходит разное расстояние оптического пути и поэтому проходит всю длину световода за разное время. При этом, если мы подадим на вход световода короткий (прямоугольный) импульс света, то на выходе многомодового световода получим «размытый» по времени импульс. Эти искажения, обусловленные дисперсией времени задержки отдельных мод, называются модовой дисперсией.

Многомодовые волокна с градиентным профилем

В многомодовом оптическом волокне со ступенчатом профилем, моды распространяются по оптическим путям разной длинны и поэтому приходят к концу световода в разное время. Эта дисперсия может быть значительно уменьшена, если показатель преломления стекла сердцевины уменьшается параболически от максимальной величины n₁ у оси световода, до величины показателя преломления n₂ на поверхности границы раздела с оболочкой. Оптический волновод с таким профилем, (когда показатель преломления плавно изменяется) называется градиентным волоконным световодом. Лучи света проходят по такому волокну по волно- или винтообразным спиралям. Чем дальше отклоняется луч света от оси световода, тем сильнее он заворачивается обратно к оси. При этом, так как показатель преломления от оси к краю сердцевины уменьшается, то увеличивается скорость распространения света в среде. Благодаря этому более «длинные» оптические пути компенсируются меньшим временем прохождения. В результате различие временных задержек различных лучей почти полностью исчезает.

Одномодовые волокна

Рис.1,Структура стандартного одномодового волокна

Рис.2,Одномодовое оптическое волокно E 9,5/125 мкм

Одномодовое волокно — волокно, основной диаметр сердцевины которого, приблизительно в семь - десять раз больше длины волны, проходящего по нему света.

Структура стандартного одномодового оптического волокна E 9,5/125 мкм (см. рис.1, рис.2) в соответствии со Стандарт EN 188100; Стандарт VDE 0888, часть 102; Рекомендация МСЭ-Т (ITU-T) G.652; Стандарт МЭК “IEC 60793-2”:

1. диаметр светопроводящего ядра (сердцевины) 9,5 ± 1 мкм;
2. внешний диаметр оптического волокна 125 ± 3 мкм;
3. допуск на некруглость 2,5 мкм;
4. допуск на эксцентриситет между сердцевиной и внешним диаметром волокна 1 мкм;
5. внешний диаметр первичной защитной оболочки 250 ± 10 мкм;
6. внешний диаметр вторичной защитной оболочки 900 ± 10 мкм

Волокно со ступенчатым профилем

Модовая дисперсия в оптическом волокне может быть исключена, если структурные параметры ступенчатого световода подобрать таким образом, что в нём будет направляться только одна мода, а именно — фундаментальная (основная) мода. Однако и основная мода так-же уширяется во времени по мере её прохождения по такому световоду. Это явление называется хроматической дисперсией. Она является свойством материала, поэтому как правило, имеет место в любом оптическом световоде, но в диапазоне длин волн от 1200 до 1600 нм она относительно мала или отсутствует. Для изготовления ступенчатого волоконного световода с малым затуханием, который направляет только фундаментальную моду в диапазоне длин волн более 1200 нм диаметр поля моды должен быть уменьшен до 8-10 мкм. Такой ступенчатый волоконный световод называется стандартным одномодовым оптическим волокном.

Волокна с многоступенчатым профилем

Профиль показателя преломления обычного одномодового световода имеет ступенчатый профиль. Для такой структуры профиля сумма дисперсии материала в волноводной дисперсии при длине волны около 1300 нм равна нулю. Для современных устройств передачи данных по оптическому волокну, использующих длины волн 1550 нм или одновременную передачу сигналов на нескольких длинах волн, желательно иметь нулевую дисперсию и при других длинах волн. А для этого необходимо изменить волновую дисперсию и, следовательно, структуру профиля волоконного световода. Это приводит к многоступенчатому или сегментному профилям показателей преломления в волокне. Используя эти профили, можно производить волоконные световоды, у которых длина волны с нулевой дисперсией сдвинута до 1550 нм (волокно со смещённой дисперсией) или величины дисперсии очень малы во всём диапазоне волн от 1300 нм до 1550 нм (волокно со сглаженной или компенсированной дисперсией).

Причины ослабления сигнала

Ослабление сигнала в оптических волокнах выражается в уменьшении интенсивности светового луча (сигнала) в зависимости от расстояния при его прохождении через сердцевину волокна. Ослабление сигнала в волоконной оптике обычно измеряют в единицах dB, а ослабление сигнала в оптическом волокне в dB/km. Ослабление — важный фактор, ограничивающий передачу цифрового сигнала на большие расстояния. Основное ослабление излучения в оптических системах вызвано рассеиванием, поглощением и отражением в местах соединения волокна и в самом волокне.

Специальные волокна

Активное волокно

Волокно, способное усиливать или генерировать сигнал определенной частоты. Это достигается введением в кварцевое волокно редкоземельных металлов в зависимости от требуемой частоты усиления. Так, иттербиевые (Yb) примеси дают усиление на длинах волн 1,06 - 1,3 мкм, а эрбиевые (Er) на длине волны 1,5 мкм. Длина волны усиления определяется физическими параметрами материала легирующей примеси (шириной энергетического перехода возбуждённых электронов с одной орбиты атома примеси на другую, с одновременным излучением фотона).

Пассивное волокно

Волокно, не обладающее свойствами усиления используется для удалённого соединения активных и пассивных волоконно-оптических компонент между собой.

Классификация оптического волокна

В настоящее время широко используются несколько основных классов оптических волокон в соответствии с рекомендациями ITU-T:

• G.651 Многомодовое 50/125 мкм с градиентным профилем показателя преломления.
• G.652 Стандартное одномодовое.
• G.653 Одномодовое со смещенной дисперсией.
• G.654 Одномодовое со смещенной длиной волны отсечки.
• G.655 Одномодовое с ненулевой смещенной дисперсией.
• G.656 Одномодовое с ненулевой дисперсией для широкополосной передачи данных.
• G.657 Одномодовое с уменьшенными потерями на малых радиусах изгиба.

ITU-T - (International Telecommunication Union - Telecommunication Standardization Sector) - Сектор стандартизации Международного союза электросвязи. Каждый класс (тип) оптических волокон может иметь различные подклассы (категории), в которых волокна могут отличаться по некоторым характеристикам.

Устройство волоконно-оптических компонентов

Зеркала и фильтры

Зеркалом называется компонент, отражающий излучение определенной частоты с определенным коэффициентом отражения. Фильтр, в свою очередь, пропускает излучение определенной частоты, как правило, в узком частотном диапазоне, а остальное излучение поглощает или рассеивает. Для изготовления зеркал и фильтров используются дифракционные решетки, нанесенные на участок сердцевины волокна. Аналог штрихов в дифракционной решётке, может выполнять ультрафиолетовая засветка, которая изменяет свойства волокна в месте облучения. Одна и та же дифракционная решетка для разных частот сигнала, может быть либо зеркалом, либо фильтром.

Объединители и разветвители

Представляют собой два параллельных волокна, лишённые оболочки и соприкасающиеся между собой. Соприкосновение и фиксация волокон достигается при высоких температурах — выше температуры плавления волокна. Таким образом, участки волокон сплавляются воедино. В зависимости от длины общего участка, в результате интерференции волн, можно получить заданный коэффициент деления входного сигнала на два выходных волокна.

Объединители и разветвители могут также строиться на элементах микрооптики, включая микролинзы и частично-прозрачные зеркала с заданным коэффициентом деления.

Известны конструкции 1980-х гг. с сошлифованными до светопроводящей сердцевины и механически соединенными волокнами. Однако наиболее распространены сплавные.

Диоды накачки

Как и в случае обычных лазеров для начала усиления и генерации необходима накачка активной среды. Для накачки активных волокон используют полупроводниковые лазерные диоды. На выходе из полупроводникового кристалла лазерный пучок коллимируют и вводят в волокно. Выбор длины волны диодов накачки обусловлен пиками поглощения активных волокон, которые приходятся на узкие диапазоны в районах 0.81 мкм, 0.98 мкм и 1.48 мкм. Для иттербиевых волокон наиболее эффективна накачка в диапазоне 0.95-0.98 мкм.

Глядя на отношение длин волн накачки и сигнала можно определить максимально возможный КПД лазеров и усилителей. Для иттербиевых волокон он будет 0.95:1.06=90 %. На практике, КПД, конечно оказывается ниже.

Применение

Волоконно-оптический датчик

Волоконно-оптический датчик в виде плоской катушки оптического волокна

Волоконно-оптический датчик — это датчик, который в качестве основного элемента использует оптическое волокно. Волоконно-оптические датчики можно разделить на датчики, в которых оптическое волокно используется в качестве линии передачи, и датчики в которых оптическое волокно используется в качестве чувствительного элемента.

из-за своего небольшого размера они могут быть очень компактны, нет необходимости подвода внешнего питания, что позволяет размещать их в удаленном месте, кроме того большое число датчиков возможно подключить к одному волокну методом мультиплексирования с использованием различных длин волн излучения для каждого датчика, либо путем измерения времени задержки данных от каждого датчика.

Волоконно-оптические датчики могут противостоять высоким температурам и давлениям. Они невосприимчивы к электромагнитным помехам и являясь диэлектриками не проводят электричество, что позволяет использовать их в местах, где есть опасность воздействия высокого напряжения или работа в горючих и взрывоопасных средах, таких как например топливные баки для реактивных двигателей.

Основным преимуществом компактных датчиков является возможность их установки в местах, недоступных для других типов датчиков. Примером является измерение температуры внутри реактивных двигателей. Волоконно-оптические датчики также могут быть использованы например для измерения внутренней температуры в электрическом трансформаторе, где из-за наличия мощного электромагнитного поля другие методы измерения невозможны.

Современные волоконно-оптические датчики позволяют измерять почти всё. Например, давление, температуру, расстояние, положение в пространстве, скорость вращения, скорость линейного перемещения, ускорение, вращающего момента, скручивания, колебания, вибрации, массу, звуковые волны, уровень жидкости, деформацию, коэффициент преломления, электрическое поле, электрический ток, магнитное поле, концентрацию газа, концентрацию различных загрязнений, дозу радиационного излучения и т. д.

Основными элементами волоконно-оптического датчика являются оптическое волокно, светоизлучающие (источники света) и светоприёмные устройства, оптический чувствительный элемент.

Волоконно-оптические датчики не подвержены электромагнитным помехам (EMI), даже вблизи разряда молнии, и сами по себе не электризуют другие устройства. Материалы из которых они изготовлены могут быть химически инертны, то есть не загрязняют окружающую среду, и не подвержены коррозии.

Оптическое волокно используется при изготовлении гидрофонов в сейсмических и гидролокационных приборах. Системы с волоконнооптическими датчиками широко используются в нефтедобывающей промышленности. Для неё разработаны оптоволоконные датчики измеряющие температуру и давление непосредственно в нефтяных скважинах. Оптоволоконные датчики хорошо приспособлены для выполнения таких задач, так как работают при температурах, слишком высоких для полупроводниковых датчиков.

Применение волоконно-оптических датчиков кардинально изменило некоторые типы приборов. Так например волоконно-оптические гироскопы очень надежны, так как у них отсутствуют механические движущиеся части и при этом они очень точны.

На базе оптического волокна были разработаны интерференционные датчики, для оптических гироскопов, которые используются например в авиалайнерах Боинг 767.

Освещение

Бронхоскоп

Световоды широко используются при изготовлении различных элементов индикации, светового оформления рекламы и подсветки. Например, пучки световодов (световоды) используются в медицинских и других аналогичных целях там, где яркий свет необходимо доставить в труднодоступную зону. В некоторых случаях световоды используются в элементах индикации например для обозначения маршрута от исходной точки в какую-нибудь часть здания. Освещение при помощи оптических световодов часто используется и в декоративных целях, включая коммерческую рекламу и всевозможные праздничные гирлянды.

Оптическая передача изображения

Оптические световоды совместно с объективом используется в устройствах для формирования изображения. Плотный пучок тонких оптических волокон, тщательным образом объединённый с обеих сторон (световод) используется в эндоскопах, предназначенных для осмотра или фотографирования объектов через маленькое отверстие. При этом, проектируемое на торец сваренных воедино световодов изображение, разбивается на большое число фрагментов (размером равным диаметру используемых в световоде оптических волокон) и передаётся на другой конец световода. Там, эти волокна снова плотно соединяются между собой в строгом соответствии с «принимающей» изображение стороной (иначе каждый фрагмент исходного изображения будет попадать на «не своё» место). В итоге на втором торце мы получим проектируемое на первый торец изображение.

Материалы

Горный-хрусталь SiO₂

Четырёхгранная структурная решётка кварца (SiO₂)

Кварц (от нем. Quarz), происходящего в свою очередь от twarc, что означает «твёрдый». По другим данным произошло от нем. Querklüfterz, Quererz — «руда секущих жил».. Кварц — один из самых распространённых минералов в земной коре, породообразующий минерал большинства магматических и метаморфических пород. Содержание кварца в земной коре составляет порядка 12 %. Входит в состав других минералов в виде смесей и силикатов. В общей сложности массовая доля кварца в земной коре более 60 %. Кварц, как химическое соединение называется диоксид кремния, химическая формула SiO₂. Кварц встречается главным образом в виде кварцита, одного из компонентов песка.

Кварцевое стекло — это аморфный стекловидный расплав диоксида кремния, который является твёрдым только благодаря своей высокой вязкости. Кварц не имеет точки плавления.

Кварц имеет хорошую оптическую прозрачность в широком диапазоне длин волн. У Кварца ярко выражены три окна прозрачности в инфракрасном диапазоне спектра, в областях 0,85 мкм, 1,3 мкм и особенно в области 1,5 мкм. В области 1,5 мкм кварц имеет чрезвычайно низкое поглощение и низкие потери на рассеивание (менее 0.10dB/km). Высокая прозрачность в области 1,4мкм (расположенной между окнами прозрачности 1,3 мкм и 1,5 мкм) может быть достигнута, при условии поддержания низкой концентрации гидроксильных групп (ОH).

Сверхчистое кварцевое стекло обычно изготавливается путём осаждения SiO₂ из паровой фазы посредством окисления тетрахлорида кремния SiCl₄ с выделением газообразного хлора. Такой способ выбран потому, что SiCl₄ может быть получен в очень чистом виде путём дистилляции. SiCl₄ + O₂ ---> SiO₂ + 2Cl₂. Показатель преломления может быть «отрегулирован» путём соответствующего легирования, добавлением определённого количества оксидов во время осаждения из газовой фазы. Так при введении фтора (F) или триоксида бора (B₂O₃) можно достигнуть меньшего показателя преломления (для изготовления тела волокна), а при добавлении диоксида германия (GeO₂) или пентаксида фосфора (P₂O₅) получают более высокий показатель преломления (для изготовления сердцевины волокна).

Фторидные стёкла

Фторидные стёкла — класс неоксидных стекол, полученных из группы стеклообразующих фторидов различных металлов (ZBLAN - цирконий, барий, лантан, алюминий, натрий). Фторидные стёкла используются для получения специальных оптических материалов.

Из-за их низкой вязкости очень трудно полностью избежать кристаллизации при варке такого стекла. Поэтому в производстве используют разные приёмы для получения аморфного (стекловидного) состояния при остывании.

Фторидные стёкла были первоначально предназначены для использования в качестве оптических волокон, благодаря низким потерям в области инфракрасного излучения - ниже, чем у кварца, который прозрачен приблизительно до 2 мкм. Однако, такие низкие потери никогда не проявлялись на практике, а недолговечность и высокая стоимость фторидных волокон сделали их менее предпочтительными.

Производство оптического волокна

Технология изготовления заготовок для производства оптического волокна

Иллюстрация процесса изготовления заготовок для производства оптического волокна из газовой фазы

Оптическое волокно изготавливается в ходе нескольких технологических операций. Сначала изготавливают заготовки для производства оптического волокна. Они представляют собой стеклянные стержни, состоящие из стекла сердцевины и стекла оболочки. Далее из этих заготовок, при сильном нагревании одного конца, производится вытяжка в волоконный световод, при этом одновременно наносится первичное буферное покрытие, являющееся его защитной оболочкой.

Одним из первых методов изготовления волоконных световодов был метод «стержень в трубке», при котором стержень из высокочистого кварцевого стекла в качестве сердцевины вдвигался в трубку из кварцевого стекла с меньшим показателем преломления, служащего оболочкой. Недостаток метода в том, что любые мельчайшие повреждения и примеси на их граничной поверхности после вытяжки световода приводят к большим величинам затухания (до 500 — 1000 дБ/км) и, кроме того, этим методом можно изготовить только многомодовые световоды со ступенчатым профилем показателя преломления.

Второй метод — «двойного тигля» или метод «совмещённого расплава». При этом световод вытягивается из расплава, где компоненты сердцевины и оболочки плавятся в двух разных тиглях. За счёт диффузии или ионного обмена между стеклом сердцевины и стеклом оболочки можно изготавливать волоконные световоды с градиентным профилем показателя преломления. При этом методе удаётся получить волокна с затуханием от 5 до 20 дБ/км. при длине волны 850 нм.

Следующий метод «разделения фаз» при котором стержень из натрийборселикатного стекла выдерживается длительное время при температуре 600° С. За это время переходные металлы, такие как Fe и Cu, собираются в натрийборатстеклофазе и далее выщелачиваются с помощью кислоты. Получившаяся пористая заготовка пропитывается раствором нитрата цезия и промывается. Из такой заготовки получают волоконные световоды со ступенчатым и градиентным профилем, с затуханием от 10 до 50 дБ/км. при длине волны 850 нм.

Прорыв в производстве оптических волокон был достигнут при производстве заготовок методом парофазного осаждения — способа, который впервые был использован в 1970 году американской фирмой Соrning Inc. При этом методе осаждение стекла может происходить на внешней поверхности вращающегося затравочного стержня (OVD method, Outside Vapor Deposition), на торцевой поверхности стержня из кварцевого стекла (VAD method, Vapor Axial Deposition) или на внутренней поверхности вращающейся опорной трубки из кварцевого стекла (IVD method, Inside Vapor Deposition). При этих методах осаждение стекла происходит за счёт реакции разложения сильнолетучих высокочистых соединений в кислородно-водородном или плазменном пламени.

Газы, типа четырёххлористого кремния SiCl₄ и четырёххлористого германия GeCl₄ вводятся вместе с кислородом с одной стороны к заготовке. При этом вращающаяся заготовка нагревается с помощью внешней горелки, с температурой нагрева до 1600°C (1900°K, 3000°F). При этом, в результате реакции получаются частицы кварца и диоксида германия. При этом условия реакции выбраны так, чтобы обеспечить реакцию в газовой фазе по всему объему реактора (трубы), в отличие от более ранних методов, где реакция происходила только на части поверхности заготовки.

Технология вытяжки оптического волокна из заготовок

Для вытягивания волокна заготовка закрепляется вертикально в патроне вытяжной установки. Положение патрона в вертикальном направлении регулируется с использованием подающего механизма. Нижний конец заготовки нагревают до температуры 2000°С с помощью нагревательного элемента, так что можно вытягивать волокно вниз из плавящейся заготовки. Для того чтобы диаметр волоконного световода оставался постоянным и требуемой величины, необходимо обеспечить возможность точной регулировки скорости вытяжки (обычно 300 м/мин) и подающего механизма с помощью системы автоматического управления.

Во время вытягивания геометрические соотношения стекла сердцевины и оболочки остаются неизменными, хотя уменьшение диаметра заготовки по отношению к диаметру волоконного световода возможно в соотношении до 300 : 1. Таким образом, при вытяжке, профиль показателя преломления остаётся неизменным.

Непосредственно за измерительным прибором для контроля диаметра, вокруг волокна наносится первичное защитное покрытие. Такое полимерное покрытие, обычно имеющее двухслойную структуру, предназначено для увеличения прочности волоконного световода, для защиты его от внешних воздействий, механических микроизгибов и упрощения операций по дальнейшей работе с волоконным световодом. Это полимерное покрытие полимеризуется под воздействием тепла или ультрафиолетового УФ излучения. После упрочнения покрытия световод проходит по системе роликов, в которой он подвергается воздействию растягивающего усилия, которое может регулироваться с большой точностью. Световод должен выдерживать эту нагрузку до того, как он будет намотан на цилиндрический барабан.

Волоконно-оптические кабели

Элементы оптических кабелей

Бронированный волоконно-оптический кабель предназначенный для внешней прокладки.

Волоконно-оптический кабель предназначенный для непосредственной прокладки в грунте.

Волоконно-оптический кабель состоит из:

1. центрального силового элемента (ЦСИ),
2. оптических модулей (полимерные трубки с размещёнными в них оптическими волокнами),
3. силовых элементов,
4. брони,
5. защитных оболочек,
6. внешней оболочки кабеля.

Сердечник кабеля

Для повышения механической прочности волоконно-оптических кабелей, оптические модули этого кабеля свиваются вокруг центрального силового элемента, являющегося сердцевиной кабеля. При этом центральный силовой элемент может служить как опорой для защиты от продольного изгиба, так и для защиты от нагрузок на растяжение. Благодаря скрутке световоды в оптических модулях имеют определённое пространство, в пределах которого нагрузки на растяжение, изгиб, сжатие, не выходящее за определённые рамки, не оказывают влияния на передаточные характеристики. Наряду с оптическими модулями вокруг силового элемента могут навиваться наполнители, т. е. модули без световодов или чисто полиэтиленовые элементы, а также медные жилы в виде витых пар или четвёрок. Совокупность этих скручиваемых элементов и силовых элементов, а также скрепляющей ленты или оболочки вокруг них, если таковая имеется, называется сердечником кабеля.

Скрутка

В волоконно-оптической кабельной технике в основном применяется скрутка слоями (повивами). При этом скручиваемые элементы располагаются концентрически вокруг центрального силового элемента. Если скручиваются отдельные элементы (оптические модули, медные жилы, наполнители), то в этом случае говорят о кабеле повивной скрутки. Если же сердечник кабеля свивается из модулей состоящих из скрученных элементов (жгутов), то такой кабель называется модульным кабелем или кабелем жгутовой скрутки. Существуют два типа скрутки: спиральная скрутка и SZ-скрутка (скрутка с чередованием направления скрутки).

Заполнение сердечника

Для обеспечения водонепроницаемости волоконно-оптического кабеля по его длине при попадании воды, свободное пространство между элементами сердечника заполняется специальным гидрофобным компаундом под высоким давлением. При этом компаунд должен иметь состав не оказывающий вредного влияния на характеристики элементов кабеля и иметь малый коэффициент линейного расширения.

Оболочка кабеля

Оболочка кабеля должна защищать сердечник волоконно-оптического кабеля снаружи от механических, тепловых, химических, световых воздействий, а также от влаги. Наиболее часто используют полиэтилен. Для кабелей предназначенных для внутренней прокладки, в качестве материала оболочки используют перфторэтилен-пропилен, перфторалкокси-сополимер, сополимер этилена и винилацетата. Если для кабелей с наполнителем сердечника требуется диэлектрическая оболочка, не содержащая металл, то между оболочкой кабеля и упрочняющими волокнами помещается предохранительный слой пластика из полиамидного расплавленного связующего вещества. Он предотвращает попадание компаунда из сердечника кабеля в его оболочку. Основные типы оболочек кабеля: полиэтиленовые, поливинилхлоридные, оболочки из фтористых пластмасс, оболочки из материалов не содержащие галогенов.

Защитная оболочка

Для кабелей наружной прокладки и специальных кабелей требуются полиэтиленовые или поливинилхлоридные защитные покрытия, а для особых случаев — покрытие из полиамида. Они защищают броню, нанесённую поверх оболочки кабеля, от коррозии и от внешних повреждений, например при непосредственной прокладке кабеля в грунт или протягивании по кабельной канализации.

Броня

Для защиты сердечника волоконно-оптического кабеля и его оболочки в особых случаях, как например, для прокладки под водой или в шахтах, для кабелей с защитой от грызунов, для самонесущих кабелей или для случаев, когда требуются очень высокие величины механических нагрузок на растяжение и/или сжатие, применяется дополнительная броня. Броня может быть выполнена из волокон арамида (кевлара), стальных лент, стальной проволоки, гофрированной стальной ленты и пр.

Типы конструкции кабелей

Конструкции волоконно-оптических кабелей классифицируются в соответствии с определёнными характеристиками на следующие типы:

1. кабели наружной прокладки,
2. кабели внутренней прокладки,
3. специальные кабели.

Типичные температурные диапазоны для волоконно-оптических кабелей:

• Температура транспортировки и хранения от -25°С до +70°С
• Температура монтажа от -5°С до +50°С
• Температура при эксплуатации от -20°С до +60°С

Стандартная длина поставляемых волоконно-оптических кабелей для наружной прокладки от 2000 метров до 6000 метров.

Маркировка оптических волокон

Таблица 1. Цветовое кодирование согласно стандарту IEC 60304

Таблица 2. Цветовое кодирование оптических волокон, используемое зарубежными производителями оптических кабелей.

В 1982 г. стандартом IEC 304 Международного электротехнического комитета (МЭК) были определены двенадцать стандартных цветов изоляции низкочастотных кабелей и проводов (табл. 1), которые используются и для цветового кодирования оптических волокон (ОВ) в группах, содержащих до 12 ОВ. Нумерация же ОВ, сопоставляемая с цветом, предусмотренным названным стандартом МЭК, определяется национальными стандартами (табл. 2).

В случае, если в одном оптическом модуле одновременно находятся более 12-ти оптических волокон, то оболочки следующих по счёту оптических волокон, повторяют последовательность цветов предыдущих волокон с той разницей, что на них по всей длине ещё наносятся поперечные метки в виде например, чёрной полосы, через каждые 25 мм.

В некоторых случаях метки на оболочках последующих волокон, наносят через большие промежутки например, 40 мм., 60 мм, 80 мм. Некоторые производители оптических кабелей поступают иначе. Все волокна в каждом оптическом модуле разделяют на группы по 12 цветов в соответствии с принятым обозначением, оборачивая каждую группу оптических волокон нитью окрашенной в различные цвета (обычно красный, зелёный, синий и т. д.).

Дополнения

Бесконтактные оптические соединения

Часто необходимо выровнять торец/ось оптического волокна относительно другого оптического волокна, или относительно кристалла оптоэлектронного устройства, например светоизлучающего диода, лазерного диода, или модулятора. Это требует тщательной прецизионной юстировки волокна и последующего закрепления его в устройстве. Иногда для этих целей конец волокна оплавляется (или полируется) в виде сферической формы, которая выполняет функцию линзы, чтобы позволить сфокусировать световой поток через воздушный промежуток (зазор).

См. также

• Оптические материалы
• Стекло
• Многомодовое оптическое волокно
• Одномодовое оптическое волокно
• Сварка оптического волокна
• Сплайс-пластина
• Оптический кросс
• Оптическая муфта
• Оптический адаптер
• Оптический коннектор
• Оптический сплайс
• Оптический пигтейл
• Оптический патчкорд
• Оптический ответвитель
• Оптический WDM ответвитель
• Оптический аттенюатор
• Оптический кабель
• Оптический скалыватель
• Оптические устройства

Литература

• 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, Oxford University Press, New York, 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, Morgan Kaufmann Publishers, San Francisco, 1998 (ISBN 1-55860-445-6)
• Fiber Optic Cables by G. Mahlke., P. Gossing, 1993 by Siemens Aktiengesellschaft, Berlin and Munich.
• Гюнтер Мальке, Петер Гёссинг «Волоконно-оптические кабели», 2001 Новосибирск, Издательский дом «Вояж».