Лекция 7
Методы изготовления оптических волокон Оптоволокно изготавливают из сверхчистых стекол, которые очень трудно изготовить. Вот некоторые методы изготовления: 1. Метод химического осаждения из газовой фазы - стекло разогревается до газообразного состояния, затем этот газ проходит через систему фильтров и потом осаждается на заготовку, из которой далее вытягивается оптоволокно. Так как оптические волокна (ОВ) состоят из двух слоев то для изготовления используется смесь газов. Вот условная схема изготовления: Есть одна емкость из которой выпаривают газ (газ одного содержания), есть вторая емкость (газ другого содержания). Газ подается на систему фильтров (их может быть много). В конце расположена заготовка, которая вращается вокруг своей оси и на нее осаждается газ:
Все это происходит при температура около 200 градусов цельсия. Длина заготовки около 2х метров. Второй вариант когда газ подается во внутрь цилиндра. Диаметр этой заготовки 18-20 мм Потом заготовку снимают с цилиндра, опять разогревают с одного конца, ставят вертикально и наматывают стеклянную нить на барабан , сразу же покрывая лаком и двумя полимерными оболочками для защиты. Обычно используют 5-6 фильтров. Это хороший метод, потому что получается очень хорошее стекло с низким затуханием. Недостаток - высокая стоимость. 2. Более дешевый способ, но тут стекло будет уже не таким чистым и коэффициент затухания увеличится. Метод двойного тигля (тигель - сосуд). Суть метода - два сосуда, расположенные один в одном, в них разогревается стекло до высоких температур. В разных сосудах стекло с разным показателем преломления. Снизу стекает стекло и сразу же наматывается на барабан:
Основные параметры 1. Коэффициент затухания - чем меньше этот параметр, тем лучше оптоволокно, меньше становятся регенерационные участки по длине. Измеряют коэффициент различными способами. Первый метод - самый простой, но обладает большой погрешностью: у нас есть ОВ определенной длины. Мереют мощность на входе и выходе оптического волокна, берут десятичный логарифм отношения этих величин - получается затухание, после делят эту величину на длину и получается коэффициент затухания: точность измерений очень мала. Почему? - какойто световой конус попадает на торец ОВ, после распространяется волна, но часть лучей отразится, а часть преломится в другую оболочку. Длина установившегося режима - лучи, которые не испытывают полного внутреннего отражения. Короче говоря, после установления этого режима распространяются только часть лучей со входа - испытывающие полное внутреннее отражение.
Чтобы учесть длину установившегося режима - мерят мощность на входе и выходе, считают коэффициент затухания, обламывают часть куска оптоволокна, после чего мерят снова, подробнее вот: Берется оптическое волокно, меряют мощность на входе и выходе ОВ, считают коэффициент затухания, после обламывают ОВ и снова проводят измерения мощности на входе и выходе и считают коэффициент затухания. Получают два значения затухания и берут разность этих значений. В результате сокращается мощность на входе. Делим получившийся результат на длину обломленного волокна: Метод исключает длину установившегося режима. Но на практике применять такой метод трудно - впадлу ломать волокно.
На практике применяют метод обратного рассеивания или метод с использованием рефлектометра - метод достаточно точный, не требует разрушения волокна и померить можно не только коэффициент затухания, а и наличие неоднородностей в волокне. Суть метода: передается колиброванный одиночный измерительный импульс по ОВ, который, отражаясь от дальнего конца ОВ, приходит обратно на прибор (рефлектометр) и на осциллограмме мы видим динамику изменения волнового сопротивления по длине ОВ, наличие неоднородностей внутри ОВ и можем получить величину коэффициента затухания. На осциллограмме такая картинка: Там есть мощность на входе и выходе, где импульс вверх - неоднородность (например при сварке оптоволокна):
Луч калибруют таким образом, которое позволяет очень сильно уменьшить длину установившегося режима. Второй параметр для измерения - дисперсия. Величину дисперсии целесообразно измерять только в одномодовых волокнах. Величина дисперсии маленькая. Измеряют импульсным методом. Для того, чтобы точность измерений была большой, луч света с помощью системы зеркал заставляют проходить по волокну многократно, чтобы искусственно удлинить участок, на котором мы измеряем дисперсию, так как величина дисперсии очень мала и чтобы почувствовать её увеличивают участок. Прибор для измерения состоит из делителя оптического сигнала - он делит поток электромагнитной энергии на две части - одна часть попадает на измерительный прибор, а вторая часть многократно проходит через ОВ. Эти два потока сравниваются на устройстве сравнения и таким образом измеряется величина дисперсии. Современные типы оптических волокон на основе кремния, которые получили широкое распространение на практике: 1. G 651 - многомодовое волокно, диаметр сердцевины 50-60 микрон, работает на длине волны, используется в городских видах связи, медицине и так далее 2. G 652 - имеет диаметр 10 микрон - одномодовое волокно, работает на длине волны 1,3-1,55 микрон (2-3 окно прозрачности). Самое популярное ОВ. 3. G 653 - имеет минимальное значение дисперсии во втором окне прозрачности на длине волны 1,3 микрона 4. G 654 - аналог g 652 но обладает меньшим коэффициентом затухания, работает на длине волны 1,55 микрон, применяется на магистральных системах связи. Другие типы волокон (некварцевые) - наиболее перспективные- фатонно кристаллические волокна (ФКВ). Изготавливаются они не из кварца и конструктивно отличаются от кварцевых волокон, потому что в сердцевине и оболочке таких волокон могут располагаться либо отверстия либо кольца, в отверстиях или кольцах может присутствовать воздух.
При такой сложной конструкции цена волокон намного дороже, однако есть и преимущества - почти вся световая энергия электромагнитной волны распространяется в сердцевине (в кварцевых 70%, тут 99,9%). Поэтому такие волокна можно изготвюавливать больше в диаметре, вследствие легче монтаж таких волокон, уменьшаются потери при соединении волокон, обладают меньшим коэффициентом затухания, меньшей дисперсией и большей пропускной способностью. Метод передачи информации в обычных кабелях - временное разделение каналов или частотное разделение каналов. В ОВ можно применять спектральное разделение каналов. Так как ОВ обладает большой широкополосностью, то в ОВ могут распространятся электромагнитные волны от нескольких источников оптического излучения, то есть передача может происходить на различных несущих частотах.