- •Волоконно-оптические направляющие среды
- •1. Преимущества волоконно-оптических линий связи перед другими направляющими системами передачи
- •Контрольные вопросы
- •2. Структурная схема волоконно-оптической связи
- •Контрольные вопросы
- •3. Принцип действия световодов
- •Контрольные вопросы
- •4. Характеристики направляемых лучей
- •Контрольные вопросы
- •5. Типы световодов
- •Контрольные вопросы
- •6. Апертура оптического волокна
- •Контрольные вопросы
- •7. Планарный световод
- •Контрольные вопросы
- •8. Основное уравнение передачи по световоду
- •Контрольные вопросы
- •9. Типы волн в световодах. Критические длины и частоты
- •Контрольные вопросы
- •10. Затухание в волоконных световодах
- •Контрольные вопросы
- •12. Коэффициент фазы, волновое сопротивление и скорость распространения энергии по световоду
- •Контрольные вопросы
- •13. Поляризация в волоконных световодах
- •13.1. Виды поляризации
- •13.2. Деполяризация световой волны и поляризационная модовая дисперсия
- •Контрольные вопросы
- •14. Взаимные влияния в оптических кабелях
- •14.1. Природа взаимных влияний в оптических кабелях
- •14.2. Переходные помехи в световодах
- •14.3. Переходное затухание и защищенность от взаимных помех в оптических кабелях
- •14.4. Меры по уменьшению взаимного влияния между оптическими волокнами
- •Контрольные вопросы
- •15. Распространение сигналов по оптическому кабелю
- •15.1. Общие положения
- •15.2. Частотные и временные характеристики
- •15.3. Собственные и частные характеристики оптического кабеля
- •15.4. Диаграмма излучения и поглощения энергии в световоде
- •15.5. Искажения сигналов
- •15.6. Модуляционно-частотные характеристики и полоса пропускания волоконных световодов
- •Контрольные вопросы
- •16. Конструкция и материал оптических волокон
- •Контрольные вопросы
- •17. Производство оптических волокон
- •Контрольные вопросы
- •18. Соединение оптических волокон
- •18.1. Основные понятия и определения
- •18.3. Внешние потери
- •18.4. Соединение волокон
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Введение в специальность «Физика и техника оптической связи»
- •Список сокращений
- •1.1 Радиосвязь — основные этапы истории
- •1.2 Спектр электромагнитных волн
- •1.3 Этапы развития лазерной техники
- •1.4 История развития оптической связи
- •2.1 Информация, сообщения, сигналы
- •2.1.1 Основные единицы измерения в телекоммуникации
- •2.2 Виды и технологии систем связи
- •2.3 Стандартизация и метрология в телекоммуникации
- •2.4 Электрические кабели связи
- •3. Основы теории волоконно-оптической связи
- •3.1.1 Основные законы волоконной оптики
- •3.1.1 Основные законы волоконной оптики
- •.1.2 Конструкция ов
- •3.1.3 Методы изготовления ов
- •3.1.4 Классификация и характеристики ов
- •3.2.1 Классификация оптических кабелей
- •3.2.2 Основные компоненты волоконно-оптического кабеля
- •3.3.1 Оптические соединители
- •3.3.2 Оптические разветвители
- •3.4.1 Оптический передатчик
- •3.4.2 Оптический приемник
- •3.4.3 Оптические усилители и повторители
- •3.5 Измерение параметров волоконно-оптических систем
- •3.6 Строительство, монтаж и техническая эксплуатация волс
- •4.1 Развитие волоконно-оптических систем передачи
- •4.2 Проблемы увеличения пропускной способности восп
- •4.3 Оптические волокна в структурированной кабельной системе
- •4.4 Волоконно-оптические датчики
- •4.5 Технологии, использующие оптическое волокно
- •Рекомендации студенту - как сформировать свой профессиональный облик
- •Закон оптики
- •Принцип оптического волокна
- •Межмодовая дисперсия
- •Межчастотная дисперсия
- •Материальная дисперсия
- •Влияние дисперсии на пропускную способность канала
- •Многомодовое ступенчатое волокно
- •Многомодовое градиентное волокно
- •Одномодовое волокно
- •Затухание сигнала, окна прозрачности
- •Используемые длины волн
- •Теория оптического кабеля
- •Первый уровень защиты волокна
- •Волоконно-оптический кабель со свободным буфером
- •Волоконно-оптический кабель с плотным буфером
- •Выбор волоконно-оптического кабеля
- •Симплексный и дуплексный кабели
- •Многожильный кабель
- •Кабель для оконечной разводки
- •Пожаробезопасный кабель
- •Многожильный кабель для разводки по этажам
- •Гибридный кабель
- •Соединение оптических волокон
- •Источники и приемники оптического излучения
- •Светоизлучающие диоды
- •Суперлюминисцентные светодиоды
- •Лазерные диоды
- •Фотодиоды
- •Фототранзисторы
- •Лавинные фотодиоды
Контрольные вопросы
1. Приведите классификацию оптических волокон и область их применения?
2. Назовите материалы, применяемые для изготовления сердечника волоконного световода.
3. Назовите материалы, применяемые для изготовления светоотражающей оболочки волоконного световода.
4. Приведите требования, предъявляемые к защитному покрытию.
5. Назовите материалы, применяемые в качестве защитного покрытия.
6. Приведите размеры многомодовых оптических волокон и область их применения.
17. Производство 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 путем химического осаждения из газовой фазы выполняется в два этапа: изготавливается двухслойная кварцевая заготовка, а затем из нее вытягивается волокно.
Известны три метода изготовления заготовок.
1. Окисление (реакция с О2).
2. Гидролиз (реакция с H2О).
3. Золь-гель (реакция с суспензией кварца).
Структурная схема производства заготовки методом окисления представлена на рис. 47.
Рис. 47. Производство заготовки методом окисления
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).
Трубка при давлении около 1 атм. нагревается до температуры 1200 °С водородокислородным факелом, который медленно передвигается вдоль вращающейся трубки. В результате химической реакции окисления на внутренней поверхности трубки слоями осаждается чистый кварц (SiO2):
SiCl4 + O2 = SiO2 + 2Cl2.
Чистый осажденный кварц затем становится сердечником оптического волокна с показателем преломления n1, а сама трубка является оболочкой с показателем преломления n2. Процесс, основанный на этом методе, носит название видоизмененное химическое осаждение (ВХО).
Метод гидролиза заключается в следующем.
Заготовку из хлорированного кварца SiCl4 помещают в водородокислородный факел, который не только создает высокую температуру, но и является реагентом. Химический процесс гидролиза представляет собой реакцию замещения при взаимодействии реагента (водородокислородного факела) с хлоридом, в результате которой образуется чистый кварц и галоген:
SiCl4 + 2H2O = SiO2 + 4HCl.
Для уменьшения количества гидроксильных групп и удаления продуктов гидролиза полученный образец выдерживают при температуре около 800 °С в среде SOCl2, а затем резко нагревают до 1500 °С, после чего заготовка спекается.
Химический процесс, описанный выше, обычно называется осаждением осадков путем испарения (ООПИ) и внешним отложением осадков (ВОО). Способ ООПИ реализуется в результате медленного вращения заготовки, на которую осаждаются субмикронные частицы от реагента (водородокислородного факела). Способ ВОО осуществляется путем вращения заготовки и одновременным передвижением ее в стороны по отношению к факелу.
Золь-гелиевый процесс разработан для производства кварцевых трубок и отличается высокой чистотой материала. Материалом для изготовления этих трубок является золь – суспензия испаренного кварца в водном растворе. Для того чтобы удалить воду и придать массе форму трубки, золь подвергают вращению. Для образования точной геометрии гелеобразную трубку помещают в специальную форму. Полученную таким образом трубку извлекают из формы, нагревают для удаления гидроксильных групп и загрязнений, а затем резко нагревают до 1500 °С, после чего трубка спекается. Окончательно заготовка может быть получена путем высокотемпературного сжатия золь-гелиевой трубки вокруг предварительно подготовленного сердечника.
Для изменения коэффициента преломления необходимо добавлять примеси в первичное стекло SiO2. Повышающие коэффициент преломления (примеси ионов германия, фосфора, алюминия) и понижающие (примеси ионов бора, фтора) внедряются в реакцию как галогены, которые доставляются парами оксида или инертным газом при температуре около 30 °С. Объединение примесей ионов осуществляется либо процессом гидролиза, либо окислением и контролируется равновесием, достигаемым в процессе реакции.
Достоинством приведенных методов является не только получение оптического волокна с сердечником из химически чистого кварца, но и возможность создания градиентных волокон с заданным профилем показателя преломления. Подбирая рецептуру легированного кварца и соблюдая объем присадки в осаждаемых слоях, можно обеспечить требуемый характер изменения показателя преломления по сечению сердечника волокна.
Законченная заготовка, изготовленная любым из вышеописанных методов, вытягивается в волокно. Для вытяжки оптического волокна может быть использована вертикальная установка, схема которой представлена на рис. 48.
|
Рис. 48. Вертикальная установка для вытягивания волокна из заготовки: 1 – привод подачи заготовки; 2 – заготовка; 3 – печь; 4 – пирометр; 5 – фильера для нанесения защитного покрытия; 6 – печь для ультрафиолетовой полимеризации защитного покрытия; 7 – тяговая шайба; 8 – устройство для контроля качества волокна под натяжением; 9 – приемное устройство
|
Заготовка вставляется в держатель, который с помощью механизма подачи с постоянной скоростью опускает ее вниз в печь, где она нагревается до температуры чуть выше точки размягчения (1800...2200 °С).
В качестве нагревательного устройства могут применяться кислородно-водородная горелка, графитовый нагреватель, СВЧ-печь или газовые лазеры. Контроль температуры в печи производится с помощью оптического пирометра или термоэлектрического термометра.
При температуре перехода от заготовки к оптическому волокну, установленной для правильного формирования стекловолокна, конечный диаметр волоконных световодов определяется диаметром заготовки, а также скоростями ее подачи в печь и намотки на барабан. Непрерывно контролируя диаметр оптического волокна, температуру печи, скорость вращения приемника и подачи заготовки, вытягивают волокно определенного диаметра. Вытяжка оптического волокна из кварцевых заготовок обычно происходит при температуре около 1900 °С и скорости намотки 0,3–2 м/с. В этом случае отношение диаметров сердечника и оболочки заготовки воспроизводится в оптическом волокне достаточно точно. Остаются неизменными профиль и относительная разность показателей преломления.
Для увеличения механической прочности стекловолокна, стойкости к атмосферным и химическим воздействиям применяется наложение тонкого покрытия непосредственно вслед за вытяжкой (первичное покрытие). Вторичное покрытие накладывается обычно с помощью червячного пресса в результате отдельной технологической операции. Важное значение при этом имеют линейное натяжение оптического волокна и режим охлаждения полимера.
Измерение диаметра оптического волокна производится с помощью лазерной системы контроля по двум координатам с выдачей управляющего сигнала на тяговую шайбу и на привод подачи заготовки. Измерение диаметра производится до и после нанесения на оптическое волокно защитного покрытия. Интервал между измерениями 1 с, диапазон измерения 25–250 мкм, точность поддержания диаметра 1 %.
Намотка оптического волокна на приемный барабан рядовая с перемещением приемного устройства в поперечном направлении. Установки для вытяжки часто совмещают с червячными прессами, что усложняет технологический процесс производства, но позволяет сократить время между изготовлением волокна и нанесением на него защитного покрытия и тем самым добиться улучшения его качества.
|
Между приемным устройством и тяговой шайбой могут располагаться приборы контроля механической прочности оптического волокна, представляющие собой систему роликов, изгибающих вытянутое волокно на угол ±180° под некоторым натяжением. Таким образом удается осуществить отбраковку волокна перед началом изготовления оптического кабеля и снизить процент обрыва при последующих технологических операциях. Из заготовки длиной 1 м получается свыше 1 км оптического волокна. При производстве оптического волокна по методу двойного тигля исключается предварительный этап изготовления заготовки, оптическое волокно получается путем непрерывного вытягивания из расплава, содержащегося в платиновом сосуде, через фильтр расположенный в его дне. Для получения двухслойного волокна используются два плавильных тигля, размещенных один в другом (рис. 49). |
Во внутреннем тигле помещается расплавленное кварцевое стекло с показателем преломления n1, из которого изготавливается сердцевина волокна. Во внешнем тигле расплавленное стекло с показателем преломления n2 используется для оболочки волокна. Стекло оболочки, вытекающее из фильтра внешнего тигля, тянется вместе со стеклом сердечника, вытекающим из фильтра внутреннего тигля, образуя таким образом двухслойное волокно, 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 тигель) является простота технологии и непрерывность процесса изготовления волокна.