Світовод
Міністерство
освіти і науки України
Полтавський
національний технічний університет
ім.
Юрія Кондратюка
Факультет
інформаційних та телекомунікаційних технологій і систем
Реферат
з
дисципліни «Вступ в спеціальність»
на
тему: «Світовод»
Студента
1-го курсу 102-ТТ групи
напряму
підготовки телекомунікації
Коваленка
О.О.
Полтава
2012р.
Вступ
Волоконна оптика - розділ оптики, який розглядає
поширення електромагнітних хвиль оптичного діапазону по світловода - оптичних
волокнах. Конструкція окремо взятого оптичного волокна досить проста. Сердечник
з оптично більш щільного матеріалу оточений оболонкою з меншим коефіцієнтом
заломлення і все це покрито захисною оболонкою (рис.1). Оптичне волокно -
типовий діелектричний хвилевід електромагнітних хвиль.
Коли потік світла перетинає межу розділу двох
середовищ з показниками заломлення n1 і n2 то, як відомо, спостерігаються два
явища: заломлення і віддзеркалення. Якщо світловий потік перетинає границю
розділу з боку оптично більш щільного середовища, то кут заломлення більше кута
падіння. З ростом кута падіння заломлений промінь буде притискатися до кордону
розділу. І, нарешті, при певному куті падіння, званому критичним, переломлені
промінь почне ковзати вздовж поверхні розділу. При кутах падіння, великих
критичного, переломлений світловий потік відсутній (в ідеалізованому випадку),
поверхня розділу набуває властивостей дзеркала - вся переносима променем
енергія залишається в відбитому потоці. Це явище носить назву повного
внутрішнього відбиття (рис.2). На ефекті повного внутрішнього відбиття
побудовані всі оптичні волокна.
Умовно оптичним волокном називають
світлопроводи, діаметр яких менше 0.5 мм.
Традиційні провідні лінії, коаксіальні кабелі,
СВЧ хвилеводи - всі вони вимагають дорогих і дефіцитних матеріалів, щонайменше,
міді. Для виготовлення скловолокна потрібні оксиди кремнію - найпоширеніші на
Землі речовини. Волокна з прозорих пластиків також майже не мають потреби в
рідкісних матеріалах. Таким чином, джерела сировини для виробництва
световолокон практично не обмежені. До цього слід додати, що по діаметру
оптичні кабелі істотно менше металевих. Матеріали оптичних кабелів не схильні
до корозії і екологічно безпечні.
оптичний волокно світловод
Загальна схема технологічного процесу
Основними матеріалами є кристалічний кварц і
кварцове скло - різні форми оксиду кремнію (SiO2). У кварцовому склі оксид
кремнію знаходиться в аморфній формі і тому він не розтріскується при різкому
перепаді температур, як кристалічний кварц, має надзвичайно низький коефіцієнт
температурного розширення і теплопровідності. На відміну від звичайного скла,
яке складається із суміші різних компонент, кварцове скло складається тільки з
оксиду кремнію, а кількість домішок інших хімічних елементів надзвичайно мало.
Це призводить до того, що кварцове скло володіє широким спектром пропускання
(через скла з кварцу можна навіть загоряти), малим поглинанням світла (звичайне
віконне скло поглинає стільки ж світла, скільки і кварцове скло товщиною в 100
метрів), високої оптичної гомогенні (однорідні), стійкістю до іонізуючих
випромінювань і лазерного випромінювання високої інтенсивності, низьким
коефіцієнтом температурного розширення (приблизно в 20 разів менше в порівнянні
зі звичайним склом), високою робочою температурою (понад 1200 оС, що в 4 рази
більше, ніж для звичайного скла). Спектр оптичного пропускання синтетичного
кварцового скла Suprasil 300, оптичного скла BK 7 і звичайного скла
представлені на рис.5. Спектр видимого світла лежить приблизно в межах від 380
нм до 760 нм. рис.5 Все це обумовлює широке застосування кварцового скла в
оптиці.
Другим етапом виробництва оптоволокна є
визначення методу виготовлення световода з вибраних матеріалів. Технологічний
процес виготовлення світловодів на основі кварцового скла ділиться на два
етапи. Перший етап - отримання заготовки, яка являє собою скляний стрижень
довжиною близько метра і діаметром близько 10-20 мм. Другий - витягування
світловода із заготовки. Для цього існує декілька способів, кожен з них має
свої переваги і недоліки. Способи дозволяють отримати різний профіль показника
заломлення. Волокна для передачі зображення передають не дискретні імпульси, з
цієї причини слід вибрати метод, що дозволяє отримати ступінчастий показник
заломлення. Найбільш простий і добре відпрацьований шлях - витягування волокон
за методом подвійного тигля, який докладно розглянуто нижче. Витягнуте волокно
намотується на барабан, потім виробляється перемотування, в процесі якої
волокно укладається певним чином в световодний джгут. На кожному окремому етапі
проводиться контроль параметрів заготовки.
Особливим чином йде справа з перевіркою міцності
світловодів. Розраховані певні стандартні зусилля, при яких волокно не повинно
рватися. Здавалося б, досить просто перемотати волокно під навантаженням,
взятої з запасом. Порвалося - погане, не порвалося - гарне, можна
використовувати при менших навантаженнях. Проте не все так просто. Справа в
тому, що ті дефекти, наприклад тріщини, які до випробування не привели б до
псування волокна, могли розвинутися при тестуванні, і при наступному додатку
навіть меншою навантаження волокно може порватися. Прогнозувати зростання
тріщин вельми непросто, оскільки він залежить від середовища, в якому
знаходиться волокно, і від механічних навантажень (зокрема вигинів). Так що
стовідсоткову гарантію на волокно дати неможливо. Взагалі, прямі випробування
стійкості властивостей і надійності волокна провести важко. Неможливо,
наприклад, оцінити мимовільні зміни прозорості, якщо характерний період таких
змін складає близько десяти років. Щоб вирішити цю проблему, світлопроводи
витримують при підвищеній температурі, прискорюючи старіння.
Пильної уваги вимагає чутливість незахищеного
волокна до водяної пари. Це критичне властивість було виявлено дуже скоро після
налагодження випуску оптичного волокна, але було також виявлено та протидія
йому: безпосереднє покриття світловода захисною плівкою товщиною кілька мікрометрів
безпосередньо в процесі витягування волокна. Ця захисна оболонка, в основному
складається з полімеру, повністю захищає світловод. Вона підвищує також
механічну міцність світловода і його пружність. Крім того, забезпечується
сталість параметрів при несприятливих навколишніх умовах; без захисної оболонки
вони знижуються через декілька годин або днів.
Необхідно, звичайно, вживати заходів захисту в
тих випадках, коли кілька світловодів об'єднуються в одному кабелі, який надалі
буде згинатися і скручуватися. Це трапляється при намотуванні на барабан і при
укладанні. Конструкція кабелю повинна бути такою, щоб усунути механічні
перевантаження світловода. Але небезпечно не лише руйнування волокна, але і
мікровигини. Вони виникають, коли светопроводящіе волокна лежать на шорсткій
поверхні при наявності сили, що розтягує, і можуть викликати додаткові світлові
втрати. Це явище можна спостерігати в демонстраційному досвіді, коли до
светопроводящая волокну, туго, виток до витка намотаний на барабан, підводиться
видиме світло, наприклад від He-Ne лазера. Весь барабан при цьому випромінює
яскраве червоне світло, що вказує на світлові втрати, викликані мікро вигинами.
Щоб зменшити механічні навантаження на волокна, був випробуваний ряд рішень.
Окремі провідники вільно укладаються в поперечному перерізі кабелю; в процесі
виготовлення кабелю стежать за тим, щоб волокна були трохи довше, ніж кабель.
При цьому світловоди лежать вільно в тонких гнучких трубках або на них
накладається пориста ізоляція. Слабким місцем є оболонка волокон зі східчастим
показником заломлення. Її показник заломлення, який лише ненабагато менше
показника заломлення сердечника, може в несприятливих випадках збільшитися при
низьких температурах, що викличе порушення умови повного внутрішнього віддзеркалення
і відповідно з'являться додаткові втрати на випромінювання.
Оптичне волокно по своїй фізичній природі є дуже
маленьким хвилеводом. У середовищі, вільному від напружень і зовнішніх сил, цей
хвилевід буде проводити світло, інжектованих в нього з мінімальними втратами,
або загасанням. Для ізоляції волокна від таких зовнішніх сил були розроблені
два види перших рівня захисту: вільний буфер і щільний буфер.
У конструкції з вільним буфером волокно
розташоване в пластиковій трубці з внутрішнім діаметром, який значно більше,
ніж саме волокно. Внутрішній простір трубки зазвичай заповнюється гелем.
Вільний буфер ізолює волокно від зовнішніх механічних сил, що впливають на
кабель. Для многоволоконних кабелів кількість таких трубок, кожна з яких
містить одне або кілька волокон, поєднується з елементами жорсткості для
запобігання напруги волокон і для зменшення розтягування і взаємного впливу.
Інша техніка захисту волокна - щільний буфер, -
використовує безпосередню екструзію (видавлювання) пластику навколо базового покриття
волокна. Конструкції із щільним буфером здатні витримувати набагато більш
сильні ударні та тиснуть навантаження без пошкодження волокна. Однак
конструкції з щільним буфером забезпечують нижчу захист волокна від напружень і
змін температури. Будучи відносно більш гнучким, в порівнянні з вільним
буфером, щільний буфер, якщо встановлений з різкими вигинами і перекручуванням,
викликає оптичні втрати, що перевищують номінально припустимі внаслідок
мікровигини.
Більш досконалою конструкцією з щільним буфером
є "гібридний" або "композитний" кабель. У композитному
кабелі волокно в щільному буфері оточене арамідні волокна і оболонкою. Такі
Одноволоконні елементи потім покриваються загальною оболонкою, яка і формує
композитний кабель.
Кожна з описаних конструкцій має свої переваги і
недоліки. Вільний буфер забезпечує більш низьке загасання сигналу при
розповсюдженні його по кабелю внаслідок мінімальної концентрації мікровигини і
високий рівень ізоляції від впливу зовнішніх сил. При тривалому механічному
напрузі вільний буфер забезпечує більш стабільні передавальні характеристики.
Конструкція з щільним буфером забезпечує менші розміри, більш легкий вага при
однаковій конфігурації волокна і, в загальному випадку, дає більш гнучкий,
ізломоустойчівий джгут.
Якщо оптоволоконний джгут повинен мати високу
рухливість, то його захисна оболонка може бути виконана з нержавіючої сталі або
пластику у формі гнучкого кільцевого шланга (на зразок душового). Джгут так
само може мати жорстко фіксовану форму. У цьому випадку форма і матеріал
корпусу, що містить волокна, визначаються умовами експлуатації.
Не залежно від області застосування
оптоволоконні вироби потребують механічної захисту. Перевищення нормальних
навантажень для кабелю при монтажі може поставити волокно в стан розтягування.
Рівні механічної напруги можуть викликати втрати на мікровигини, що призводить
до збільшення загасання та всіляким ефектам втоми матеріалу. Для забезпечення
витримування подібних навантажень, що забезпечує простоту та швидкість монтажу,
а також тривалу експлуатацію, до конструкції волоконно-оптичного джгута
додаються різні внутрішні елементи жорсткості. Такі елементи жорсткості
оберігають волокна від напруги, мінімізуючи розтягнення і взаємний вплив,
можливо зменшуючи при цьому гібгость джгута. У деяких випадках вони служать і
як термостабілізірующіе елементи. Запас розтягування у оптичного джгута дуже
невеликий - до моменту облому волокна, тому елементи жорсткості повинні
володіти низьким ступенем розтяжності при очікуваних силах розтягування. Опірність
ударів і тиску, гнучкість і сгортуємість є іншими механічними факторами, що
впливають на вибір елементів жорсткості. Елементи жорсткості, які найбільш
часто використовуються в волоконно-оптичних кабелях - це арамидное волокно,
скловолоконні епоксидні прути і сталеві дроту. Щодо одиниці ваги арамидное
волокно в п'ять разів міцніше сталі. Воно й скловолоконні епоксидні прути часто
є вибором, коли потрібно повністю діелектрична конструкція. Слід вибирати сталь
або епоксидні прути, коли потрібна робота при низьких температурах, так як вони
володіють кращою температурною стабільністю.
Визначення кількості волокон у кабелі залежить
від сфери застосування майбутнього виробу. Усередині джгута волокна можуть
розташовуватися вільно відносно один одного (за винятком кінців джгута) - в
такому випадку джгут називається дуже гнучким.
Для виготовлення джгутів зручні волокна
діаметром 50 мікрон. Такі волокна досить міцні; укладання таких волокон
відносно нескладна. Більш тонкі волокна ламаються при регулярному укладанні.
Вхідні та вихідні торці покладеного джгута
спікається і поліруються таким чином, що б вони були строго паралельні між
собою і паралельні будь перетину розпрямлення джгута. Джгут вільних гнучких
волокон може мати торці різної конфігурації. Конфігурація одного торця джгута
може бути перетворена в будь-яку іншу на іншому кінці (можна перетворити коло в
лінію і навпаки).
Якщо джгут не призначений для передачі
ідентичного зображення, то доцільно застосовувати джгут з довільною укладанням
волокон через їх значно меншої вартості. При необхідності вхідний торець джгута
може бути відшліфований за формою неплоскої поверхні, зображення якої бажаємо
передати. Протилежний кінець джгута можна при цьому залишити плоским.
У тих випадках, коли зовнішній розсіяне світло ("шум")
шкідливий, можна застосовувати поглинають барвники, наведені в оболонку
волокон. Природно, що ведення светопоглощающего барвника погіршує
світлопропускання світловода.
Порядок укладання волокон може бути різним (рис.3):
гексагональна укладка, квадратна укладка, ромбічна укладка, укладка волокон в
ряд, або кілька рядів. Порядок укладання на вході і виході може не збігатися.
При отриманні зображення спостережуваного предмета порядок укладання
визначається необхідної роздільної здатністю приладу. Максимальному вирішенню
відповідає максимальна щільність укладання волокон.
Поетапний опис технології
З більшості видів стекол найнижчим поглинанням у
видимій області спектра володіє плавлений кварц - за умови високого ступеня
очищення і гомогенності (однорідності по складу). Значні переваги кварцу
обумовлені малими внутрішніми втратами на розсіювання. Висока температура плавлення
кварцу (1610 З при швидкому нагріванні, 1720 З при повільному), з одного боку,
вимагає спеціальної технології для виготовлення оптичного волокна, а з іншого -
допомагає позбавитися від різних домішок, які випаровуються при більш низьких
температурах. Скла, застосовувані для виготовлення світловодів (серцевини і
оптичної оболонки), розрізняються показниками заломлення n. У кварц (показник
заломлення n = 1,4585 на довжині хвилі 0,589 мкм) додається оксид бору (n =
1,4585 на довжині хвилі 0,589 мкм), що знижує показник заломлення (рис.8).
Отриманий матеріал може бути застосований в якості оболонки оптоволокна.
Тривалий отжиг (термічна обробка скла, що надає необхідні властивості)
боросилікатного скла призводить до збільшення n. Цей матеріал використовується
для виготовлення сердечника. Інший спосіб знизити показник заломлення
плавленого кварцу - додати в нього фтор. На відміну від метастабільного
характеру зміни цього показника у чистого боросіліката, зниження його у
боросилікатного скла з добавкою фтору - внутрішня властивість атомів фтору в
матриці SiO2. Різниця показників заломлення чистого SiO2 і матеріалу з добавкою
фтору збільшується лінійно з підвищенням молярної концентрації фтору аж до
декількох відсотків. Показник заломлення кварцу зменшується на 0,2% при зміні
молярної концентрації фтору на 1%. При цьому оптичні властивості кварцу не
погіршуються. Фторування кварцу дозволяє зменшити розсіювання Релея і
мінімізувати хвильові втрати. Однак легування фтором збільшує ймовірність
виникнення тріщин і зменшує міцність скла, а, крім того, робить кварц більш
чутливим до дифузії водню.
Всі інші добавки до плавленого кварцу - такі, як
GeO2, P2O5, TiO2, Al2O3, Sb2O3 призводять до збільшення показника заломлення в
порівнянні з чистим кварцом без погіршення його оптичних властивостей. Молярні
частки цих оксидів в кварці можуть змінюватися в межах від 1 до 15%. Показник
заломлення збільшується на 0,001 при збільшенні молярної частки GeO2 на 1%. При
20-відсоткової молярної концентрації двоокису германію показник заломлення
збільшується на 1,5%.
Більш кращим як легуючий матеріалу (як
дешевшого) є фосфорний ангідрид Р2О5. При додаванні до плавленого кварцу Р2О5
для утворення бінарного скла внутрішнє поглинання матеріалу і релєєвськоє
розсіяння збільшуються досить незначно. Фосфорний ангідрид сублімується
(переходить з твердого стану в газоподібний, оминаючи рідкий) при температурі
300 С, гігроскопічний (здатний поглинати вологу з повітря) і має температурний
коефіцієнт лінійного розширення майже у 25 разів більше, ніж у плавленого
кварцу. Однак він утворює з кварцем стійке бінарне скло, теплове розширення
якого порівнянно з тепловим розширенням чистого кварцу при молярних
концентраціях Р2О5 аж до 25%. Отримане скло не виявляє майже ніякої тенденції
до ліквації - розділенню однорідного рідкого розплаву на складові при
охолодженні. Воно також стійке до дії води (не гигроскопично). Показник
заломлення фосфоросілікатного скла збільшується лінійно (у всякому разі, для
невеликих змістів оксиду фосфору) із збільшенням концентрації Р2О5. Початковий
приріст показника заломлення при зміні молярної концентрації Р2О5 на 1%
становить 0,043%. В'язкість і температурний коефіцієнт лінійного розширення
P2O5 і SiO2 розрізняються, і це обмежує кількість фосфорного ангідриду, яке
може бути введено в плавлений кварц для виготовлення оптоволокна. При додаванні
в масу кварцу 1% TiO2 показник заломлення збільшується майже на 0,026%.
Подвійна стеклообразующих система з добавкою в плавленого кварцу хороша тим, що
титан може входити в матрицю скла з різними ступенями іонізації. Причому деякі
з них володіють помітним поглинанням в спектральній області, що представляє
робочий інтервал оптоволокна. Добавка Ti3 + особливо сильний поглинач, і її
важко окислити повністю. Необхідна спеціальна термічна обробка титану при
наявності води і температурі нижче точки плавлення скла, яка призводить до
утворення двоокису титану і водню.
Для підвищення показника заломлення можна
використовувати оксид алюмінію, втрати на розсіювання у якого нижче, ніж у
двоокису германію. До того ж оксид алюмінію (Al2O3) дуже стійкий на противагу
оксиду германію GeO2, який може утворювати леткі продукти GeO і GeCl4.
Оксид алюмінію вельми стабільний, тому висока
ефективність введення його в скло. При виготовленні заготовки менш чутливі до впливу
парціального тиску кисню і хлору, ніж скло з добавками GeO2. Скло, легованої
Al2O3, має більш низьким значенням в'язкості, що прискорює процеси затвердіння.
Легування кварцового скла оксидом сурми не
тільки дозволяє отримати більше зростання показника заломлення на 1 моль
легуючої добавки в порівнянні з GeO2. При цьому також знижується можливість
утворення кристалічної фази, навіть якщо відносний показник заломлення до і
після введення Sb2O3 відрізняється більш ніж на 1,6%. Для GeO2 це значення не перевищує
1,5%.
Чистота вихідних речовин, застосовуваних для
виготовлення скла, в значній мірі визначає його високу якість за всіма
контрольованих параметрах. У випадку з оксидними стеклами, до яких належить і
кварцеве, основні втрати пов'язані з поглинанням іонами перехідних металів
(ванадію, заліза, хрому, міді, кобальту, нікелю, марганцю), а також
гідроксильними групами.
Гідроксильні групи OH є основною домішкою в
кварцових стеклах, яка призводить до значних втрат. Причина - реакція груп OH з
воднем, що містяться в атмосфері. Особливо великі втрати виникають на довжині
хвилі 0,95 і 1,4 мкм, тобто поза видимого спектру. Слабкі смуги поглинання
з'являються на довжинах хвиль 0,725 та 0,825 мкм. Зниження втрат у склі можна
домогтися, зменшуючи вміст гідроксильних груп до декількох десятків міліграмів
на кілограм.
Вплив гідроксильних груп особливо помітно в
кварцових стеклах, легованих двоокисом германію, що містять домішки алюмінію і
натрію, що досягають у натуральному кварці 1015 часток на мільйон, а в синтетичному
менше 3 часток на мільйон. У кварцовому склі, легованому P2O5 та GeO2,
присутність групи OH призводить до збільшення втрат пропорційно концентрації
P2O5.
Недолік низкоплавких багатокомпонентних стекол -
велика вірогідність забруднення в порівнянні з плавким кварцом. Це ускладнює їх
очищення від домішок для зниження показника поглинання і розсіювання. Через
низькі температур при розм'якшенні і плавленні можливо забруднення скла на всіх
стадіях виробництва.
Стекла, з яких роблять склянні волокна, дуже багато,
це кварцові скла (з оксиду кремнію), фторидні скла - фториди важких металів і
халькогенідні стекла. Всі вони працюють у видимому діапазоні або в ближньому ІЧ
і в далекому ІЧ (максимум до 10 мікрон). Полімерні світловоди - це видимий і
ближній ІЧ-діапазони.
Кварцове скло є дуже хорошим матеріалом. Одна з
причин, чому зараз фторидні полімерні скла не розробляють, хоча там потенційно
можливі більш низькі втрати, полягає в тому, що ці скла більш низької якості.
Менш стабільні, гігроскопічні. Кварцове скло - це матеріал, близький до ідеалу.
Воно механічно міцно, дуже стабільно - може лежати десятиліттями і століттями
без зміни молекулярної структури.
Пластикове, або полімерне, оптичне волокно
випереджає скловолокно по співвідношенню ціна-продуктивність. Пластикові
світловоди здатні працювати в широкому температурному режимі - від - 40С до +
85C. Без шкоди для оптичних характеристик вони можуть витримувати радіус вигину
до 20 мм і не ламаються навіть при радіусі вигину в 1 мм.
Така гнучкість дозволяє пластиковому световоду з
легкістю досягати важкодоступних місць, проникаючи крізь велику кількість
досить крутих перегинів. Але пластикове волокно має один істотний недолік:
порівняно велика дисперсія світлового імпульсу, поданого на вхід. Ця обставина
і обмежує максимальну довжину прольоту сотнею метрів, що цілком достатньо для
передачі зображення на відстань всього декількох метрів.
Висновок
Волоконно-оптичні кабелі не сприйнятливі до
перешкод з боку електромагнітних полів радіодіапазонів, і самі не створюють
таких перешкод. Тому в плані електромагнітної сумісності - це ідеальні засоби
передачі інформації. Настільки ж досконалі вони і з електробезпеки, оскільки
переносимі в них потужності дуже малі.
Для того щоб передати світло на деяку відстань
необхідно зберегти його потужність. Знизити втрати при його передачі можна,
по-перше, забезпечивши досить оптично прозору середу поширення, тим самим,
звівши до мінімуму поглинання хвилі, і, по-друге, забезпечити правильну
траєкторію руху променя. Перша задача в даний час вирішується за допомогою
застосування високотехнологічних матеріалів, таких як чисте кварцове скло.
Список використаних джерел
Дж.
Э.. Мидвинтер "волоконные световоды для передачи информации"
Н.
С. Капан "Волоконнпая оптика. Принципы и применения "