Сферы применения

Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии, даёт волоконно-оптическим датчикам преимущество перед традиционными электрическими в определённых областях.

Волоконно-оптические датчики используют также для измерений в нефтяных скважинах.

Специальные оптические волокна используются в интерферометрических датчиках магнитного поля и электрического тока.

Разработаны устройства дуговой защиты(датчики дуговых замыканий) с волоконно-оптическими датчиками, основными преимуществами которых перед традиционными устройствами дуговой защиты являются: высокое быстродействие, нечувствительность к электромагнитным помехам, гибкость и лёгкость монтажа, диэлектрические свойства.

Применением оптоволокна с сердечником селенида цинка может стать выявление токсинов и загрязнителей. Так как разные молекулы поглощают свет разной длины волны. Вода, например, поглощает свет с длиной волны 2,6 микронов. Однако молекулы определенных загрязнителей или токсинов могут поглощать свет с более длиной волной.

Обычно волокна имеют два окна – это значит, что оптическое излучение может передаваться на двух длинах волн. Так, для одномодовых оптоволокон это 1310 и 1550 нм, для многомодовых – 850 и 1310 нм.

Минимальная длина волны, при которой волокно поддерживает только одну распространяемую моду, называется длиной волны отсечки

Классификация волноводов

• 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.

Технологии(разные)

Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF в отличие от DSF оптимизировано для передачи не одной длины волны, а сразу нескольких длин волн (мультиплексного волнового сигнала).

Технологический процесс изготовления световодов на основе кварцевого стекла делится на два этапа.

Первый этап - получение заготовки, которая представляет собой стеклянный стержень длиной порядка метра и диаметром около 10-20 мм. 2 Для этого существует несколько способов (основных - три, как и девиц в эпиграфе); каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.

Первый способ назван "модифицированным методом химического осаждения из газовой фазы" (MCVD). Представьте себе подобие токарного станка, в котором на место резца установлена кислородно-водородная горелка. В станок зажимается стеклянная трубка и через нее на первом этапе пропускается хлорид кремния и кислород (на самом деле состав смеси более сложен). В горячей зоне напротив горелки синтезируется оксид кремния. Образуются, фигурально выражаясь, пушинки окиси, которые дрейфуют из горячей области в более холодную и прилипают к стенке. Этот процесс называется термофорезом, он прекрасно описывается и объясняется кинетической теорией. Важно, что осаждение происходит не в месте нагрева пламенем, а перед ним - там, куда пламя еще не дошло. На поверхности трубки образуется пористый слой окиси, и, двигаясь дальше, горелка его проплавляет - остекловывает. Так получается слой чистого стекла. При следующих проходах через трубку пропускают еще и германий в виде хлорида 3. Таким образом легируют материал световода, создавая в нем градиент коэффициента преломления. После того как необходимое число слоев осаждено, подачу хлоридов выключают, а температуру пламени увеличивают - в результате трубка плавится и схлопывается просто под действием сил поверхностного натяжения.

В основном этот метод был разработан компанией AT&T, которая производит больше трети всего объема волокна в мире. Как уже было сказано, метод самый простой, и, кстати, в отечестве только он реально и работал. Однако для него нужна очень хорошая труба-заготовка без включений, так как включения - это центры напряжений, из которых может начать расти трещина. С этим довольно успешно борются путем химической или огневой полировки поверхности трубок.

Другой метод, которым пользуется фирма "Корнинг", называют еще внешним осаждением (в отличие от первого - внутреннего): стекло осаждается на огнеупорный стержень прямо из пламени горелки, куда подаются хлориды исходных веществ. Поскольку осаждение происходит в атмосфере пламени, в таком материале остается много воды, получившейся в результате окисления водорода. Поэтому, после того как центральный стержень вынимают, приходится продувать заготовку хлором, который экстрагирует воду. И только после этого заготовка остекловывается.

В третьем методе, разработанном японскими фирмами, среди которых NTT, "Сумитомо" и др., реализована более сложная конструкция. Заготовка растет из затравки, расположенной на определенном расстоянии выше пламени горелки, имеющего сложную слоевую структуру, как у рулета. В середину пламени подают смесь хлоридов германия и кремния, затем слой буферного газа, потом только хлорид кремния для чистого стекла, потом опять буферный газ, и, в конце концов, на краю горелки, кислород с водородом - то, что, собственно говоря, и горит. Вещество осаждается на только что созданную в этом же процессе поверхность. Однако расстояние до этой поверхности должно быть строго фиксированным, и заготовка постоянно отодвигается от пламени горелки. Таким методом можно создавать заготовки, которых хватает на несколько тысяч километров волокна, а в принципе процесс может быть непрерывен - по мере изготовления заготовки из нее же можно вытягивать волокно.

На втором этапе конец заготовки размягчают в печи и тянут из него волокно. При вытяжке не происходит смешивания отдельных слоев - при этом происходит, выражаясь математическим языком, преобразование подобия. То есть, если диаметры сердцевины и оболочки заготовки относились, как один к десяти, то так оно будет и в вытянутом волокне. Вытяжка световодов проводится в столько же чистых помещениях, как и при производстве микросхем, чтобы на их поверхность не попадали пылинки - те же самые включения.

После того как волокно остынет, на него наносится защитная пленка полимера. Полимер призван защитить волокно от механических воздействий и от окружающей среды, прежде всего от водорода и воды. Дело в том, что вода ускоряет рост трещин, а водород, диффундируя вглубь волокна, повышает коэффициент затухания. Однако по-настоящему могут защитить стекло только два покрытия: металлическое и углеродное. И японские фирмы сейчас начинают покрывать стекловидным углеродом каждое волокно в отдельности.

Пока же, для достижения полной защиты, лучше всего помещать уже готовый кабель в герметичную металлическую оболочку, но это практически реализуемо только в наиболее дорогих кабелях для трансокеанский линий.

Довольно хитро обстоит дело с проверкой прочности световодов. Рассчитаны определенные стандартные усилия, при которых волокно не должно рваться. Казалось бы, достаточно просто перемотать волокно под нагрузкой, взятой с запасом. Порвалось - плохое, не порвалось - хорошее, можно использовать при меньших нагрузках. Однако не все так просто. Дело в том, что те дефекты, например трещины, которые до испытания не привели бы к порче волокна, могли развиться при тестировании, и при следующем приложении даже меньшей нагрузки волокно может порваться. Прогнозировать рост трещин весьма непросто, так как он зависит от среды, в которой находится волокно, и от механических нагрузок (в частности изгибов). Так что стопроцентную гарантию на волокно дать невозможно. Вообще, прямые испытания устойчивости свойств и надежности волокна провести трудно. Как, например, оценить изменения прозрачности, если характерный период таких изменений составляет порядка десяти лет? Чтобы решить эту проблему, световоды выдерживают при повышенной температуре, ускоряя старение.

Технологии(слайды)

OVD

На этапе 1 происходит осаждение порошкообразной двуокиси кремния на тонком стержне. Горячий поток частиц порошкообразной двуокиси кремния движется над

поверхностью стержня, при этом некоторые частицы осаждаются на стержне. А сам стержень в

это время вращается и одновременно движется в осевом направлении, проходя через горелку.

Некоторые из частиц окажутся при этом в спекшемся состоянии. Когда произойдет осаждение

такого количества стекла, которого будет достаточно для образования и сердцевины, и

оболочки, процесс остановится, а исходный стержень будет извлечен из заготовки.

Этап 2 – процесс спекания

Прежде всего, пористая заготовка нагревается в среде газообразного хлора (при этом

удаляется вода), а затем нагревается еще сильнее, до температуры 1400 / 16000С, при которой

частицы белой сажи спекаются в сплошной стеклянный стержень без пузырьков воздуха –

заготовку. Все это происходит в печи, в контролируемых условиях. На этом этапе пористый

исходный стержень обычно усаживается и плавится.

этап 3

наложение оболочки производится тем же методом, то есть осаждением SIO2 на стенках стержня, на специальных станках, которые позволяют осаждать стержень с производительностью 54г/мин для заготовок массой до 30кг(горизонтальные станки) и 50г/мин для заготовок массой до 60кг(вертикальные станки).

Надо сказать, что этот метод является довольно эффективным благодаря скорости осаждения и достижимым размером заготовки.

Этап 4 вытяжка волокна

Готовая стержневая заготовка (независимо от способа

ее изготовления) вытягивается в волокно. Это происходит в

специальной вытяжной башне высотой около 12 м.

MCVD

Во внутрь полой кварцевой трубки подается струя хлорированного кварца и кислорода. При высокой температуре на внутренней поверхности трубки слоями осаждается чистый кварц. Таким образом, заполняется вся внутренняя полость трубки, кроме самого центра. Чтобы ликвидировать этот воздушный канал, подается еще более высокая температура (1900°С), за счет которой происходит схлопывание.

Вытяжка

Качество процесса вытяжки зависит главным обра-

зом от конструкции печи, технологии наложения оболочки

и оптимального контроля параметров процесса, таких как

натяжение, температура, диаметры, скорость.

Контрольное испытание

На этом этапе проверяется прочность на растяжение всего волокна, проверяется, нет ли

в волокне каких-либо трещин или каких-либо других повреждений. Такая проверка заключается в том, что волокно в течение примерно одной

секунды подвергается воздействию определенного растягивающего усилия. Если в волокне

имеются какие-либо трещины, то оно оборвется. После контрольного испытания прошедшее его

волокно отправляется в лабораторию, где оно подвергается другим испытаниям. Из одной заготовки обычно получают 50 / 150 км волокна.

Специальные волокна

Оптические волокна специального назначения имеют

широкий диапазон конструкций и областей применения,

включая одномодовые волокна (с выбранной длиной волны

отсечки), многомодовые волокна с градиентным показате-

лем преломления, многомодовые волокна со ступенчатым

показателем преломления, волокна с сохранением поляри-

зации, легированные волокна для усилителей или лазеров,

с одинарной или двойной оболочкой, микроструктурирован-

ные волокна со сплошной сердцевиной (PCF – фотонокри-

сталлические), брэгговские волокна с полой сердцевиной…

При сложном профиле показа-

теля преломления методы послойного осаждения, такие как

MCVD, FCVD, PCVD, OVD, обеспечивают наиболее высо-

кую гибкость производственного процесса. Среди проблем,

связанных с производством волокон специального назна-

чения, самой сложной задачей остается легирование серд-

цевины редкоземельными материалами, такими как Er, Yb

и др. Для этого требуется высокая однородность легирую-

щих материалов, высокая концентрация и возможность леги-

ровать сердцевины больших диаметров. Наиболее широко

используется метод, называемый «жидким легированием»,

который состоит в том, что стержень для изготовления серд-

цевины после каждого осаждения пропускается через леги-

рующий раствор, содержащий редкоземельные материалы.

Панда:

В оптическом волокне всегда в какой-то степени присутствует двулучепреломление, даже, если оно имеют центрально-симметричную конструкцию, поскольку на практике всегда есть некоторое механическое напряжение или другие эффекты, которые нарушают симметрию волокна. Как следствие, поляризация света и длина волны излучения, распространяющегося в волокне, постепенно меняются случайным образом. Процесс зависит также от каких-либо изгибов волокна и от его температуры.

Эта проблема может быть устранена с помощью оптического волокна, сохраняющего состояние поляризации, то есть волокна с сильным встроенным двулучепреломлением (PM-fiber, или polarization maintaining fiber). Даже если волокно согнуто, при условии, что свет заводится в волокно параллельно одной из двулучепреломляющих осей, поляризация света в волокне будет сохранена, то есть останется линейной. Физический принцип может быть объяснен с помощью механизма когерентной связи мод. Константы распространения обоих мод с разной поляризацией различаются из-за сильного двулучепреломления. Поэтому относительная фаза распространяющихся мод быстро меняется. Таким образом, любые возмущения вдоль волокна могут не затрагивать эффективность взаимодействия обоих мод, кроме случаев, когда имеется значительная пространственная компонента Фурье, волновое число которых соответствует разности постоянных распространения двух мод поляризации. Если эта разница является достаточно большим, то возмущение в слое будет меняться очень медленно, вследствие чего получим хорошую связь мод.

Специальные

При производстве оптических

волокон типа «Панда» необходимо просверлить сплошную

заготовку и вставить в нее легированные бором(легирование бором повышает прочностные свойства после закалки, не изменяя или несколько снижая вязкость и пластичность) стержни.

Ограничивающим фактором является длина просверлен-

ного отрезка. Микроструктурированные фотонокристал-

лические волокна изготавливаются методом компоновки

и вытяжки многочисленных капилляров вокруг сплошной

сердцевины или полой трубки (Stack and Draw). Сложной

задачей является сохранение требуемых геометрических

размеров и продольной однородности.