4. Параметры оптического волокна

К числу важнейших и зависящих от качества проведения процесса вытягивания показателей относятся коэффициент оптических потерь и предел прочности на растяжение.

Модель оптических потерь имеет вид:

, (3)

где R_с - радиус сердцевины (внутренней жилы) световода.

R_св - радиус световода.

n - разность показателей преломления сердцевины и оболочки

B_n - среднее число нерегулярных выпуклостей с высотой B_h на единицу длины световода.

E_n,E_св - модули упругости материалов покрытия и световода.

Приведенная модель показывает, что величина оптических потерь связана со стабильностью геометрических параметров. Доказано [9], что 3% отклонения диаметра волокна от номинального значения вносят свой вклад, равный 1дб/км. Этот факт подтверждает необходимость высокоточной стабилизации диаметра волокна в процессе его выработки.

Наряду с коэффициентом затухания, важнейшей характеристикой волокон является предел прочности на растяжение. В ряде работ показано, что предел прочности понижается из-за микротрещин Гриффитса, распределенных по поверхности волокна. Разрушение стеклянного волокна наступает тогда, когда внешнее напряжение становится равным энергии связи. Разрушающее напряжение выражается формулой:

, (4)

где Е - модуль Юнга для кварцевого стекла.

- поверхностная энергия стекла.

- глубина микротрещины.

Предполагается, что трещины образуются из-за высокого натяжения волокна в процессе его вытягивания из заготовки, за счет механического истирания в прижимных роликах, вытяжном барабане и т.п.

Таким образом, основными параметрами, характеризующими качество готового ВС, являются коэффициент затухания и предел прочности на растяжение Р. Поэтому при разработке системы автоматического управления процессом вытягивания эти два параметра должны выступить в качестве критериев, определяющих как структуру системы, так и основные технические характеристики.

Используемые в настоящее время системы автоматического управления направлены в основном на стабилизацию диаметра оптического волокна и используют в качестве управляющего воздействия скорость вытяжки. Применение подобных одномерных систем позволяет существенно повысить точность поддержания диаметра волокна в определенных пределах, однако в принципе не позволяет решить задачу выпуска высококачественной продукции. В процессе регулирования скорости вытяжки возникает ряд нежелательных эффектов, снижающих эффективность управления.

На рисунках 4 и 5 приведены функциональные зависимости оптических потерь и прочности оптических волокон от натяжения в процессе вытяжки. Из графиков видно, что требования, предъявляемые к натяжению с точки зрения минимизации оптических потерь и достижения максимального значения прочности P, диаметрально противоположны. Слабое натяжение обеспечивает высокую прочность, в то время как сильное натяжение сводит к минимуму дополнительные оптические потери, обусловленные процессом вытягивания. Следовательно, выбор в каждом конкретном случае величины натяжения F является следствием разумного компромисса между и P, и уход от выбранного значения F будет означать улучшение одного параметра за счет ухудшения другого. Вместе с тем натяжение волокна при наличии контура регулирования диаметра является величиной переменной. Неизбежные колебания толщины заготовки, распределенные вдоль ее, приводят к колебаниям объемного расхода стекломассы в зоне формования и, как следствие, изменениям скорости вытягивания, которые происходят под действием регулятора диаметра. В свою очередь, натяжение волокна в условиях регулируемого процесса вытягивания прямо пропорционально скорости вытягивания. На рисунке 6 приведены снятые экспериментально зависимости натяжения волокна от скорости вытягивания при различных значениях температуры нагрева заготовки.

Очевидно, что возникающие в процессе регулирования диаметра, изменения скорости вытягивания приводят к изменению натяжения волокна, причем, чем ниже температура нагрева и больше нестабильность геометрических параметров заготовки, тем больше колебания натяжения.

Рисунок 4 – Функциональная зависимость оптических потерь от натяжения в процессе вытяжки.

Рисунок 5 – Функциональная зависимость прочности оптических волокон от натяжения в процессии вытяжки.

Рисунок 6 – Экспериментально зависимости натяжения волокна от скорости вытягивания при различных значениях температуры нагрева заготовки.

Далее подробно рассмотрим систему управления процессом намотки и раскладки оптического волокна, где необходимо следить за его натяжением. Управление над этим процессом помогает сохранить в конечном продукте все физико-механические свойства заданные при изготовлении заготовки.