Фізико-технологічні основи одержання оптичних волокон, для волоконно-оптичних ліній зв'язку

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ФІЗИЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КУРСОВА РОБОТА

на тему:

Фізико-технологічні основи одержання оптичних волокон , для волоконно-оптичних ліній зв’язку

Зміст

Вступ

Розділ 1. Матеріали які використовуються для одержання оптичних волокон

1. Властивості кварцу

2. Очищення силікатного скла

3. Полімерні волокна

Розділ 2. Методи та технологія виробництва оптичних волокон

2.1 Фізичні особливості оптичних волокон

2.2 Технологія виробництва

2.3 Метод осадження з газової фази

Розділ 3. Волоконно-оптичні лінії зв'язку

3.1 Волоконно-оптичний кабель

3.2 Електронні компоненти систем оптичного зв'язку

3.3 Перспективи розвитку оптоволоконної технології

3.4 Переваги та недоліки оптоволоконної технології

Висновки

Список літератури

Вступ

Сучасні телекомунікації важко представити без волоконно-оптичних ліній зв'язку. Щорік по всьому світу прокладаються тисячі кілометрів оптоволокна. Проте серйозну конкуренцію іншим видам дротяного зв'язку воно склало відносно недавно. Стрімке поширення оптоволоконних ліній намітилося останніми роками, не дивлячись на те що їх впровадження почалося майже 20 років тому. Винахід в 1970 році фахівцями компанії Corning, Ink оптоволокна, що дозволило без ретрансляторів продублювати на ту ж відстань систему передачі даних телефонного сигналу по мідному дроту, прийнято вважати переломним моментом в історії розвитку оптоволоконних технологій. Розробникам удалося створити провідник, який здатний зберігати не менше одного відсотка потужності оптичного сигналу на відстані одного кілометра. За нинішніми мірками це досить скромне досягнення, а тоді, без малого 40 років тому, – необхідна умова, для того, щоб розвивати новий вигляд дротяного зв'язку. Складається оптоволокно з центрального провідника світла (серцевини) — скляного волокна, оточеного іншим шаром скла – оболонкою, що володіє меншим показником заломлення, чим серцевина. Поширюючись по серцевині, промені світла не виходять за її межі, відбиваючись від покриваючого шару оболонки. У оптоволокні світловий промінь зазвичай формується напівпровідниковим або діодним лазером. Залежно від розподілу показника заломлення і від величини діаметру сердечника .

Волоконна оптика хоч і є повсюдно використовуваним і популярним засобом забезпечення зв'язку, сама технологія проста і розроблена досить давно. Експеримент із зміною напряму світлового пучка шляхом заломлення був продемонстрований Данієлем Колладоном (Daniel Colladon) і Жаком Бабінеттом (Jacques Babinet) ще в 1840 році. Опісля декілька років Джон Тіндалл (John Tyndall) використовував цей експеримент на своїх прилюдних лекціях в Лондоні, і вже в 1870 році випустив працю, присвячену природі світла. Практичне вживання технології знайшлося лише в ХХ столітті. У 20-х роках минулого століття експериментаторами Кларенсом Хаснеллом (Clarence Hasnell) і Джоном Бердом (John Berd) була продемонстрована можливість передачі зображення через оптичні трубки. Цей принцип використовувався Генріхом Ламмом (Heinrich Lamm) для медичного обстеження пацієнтів. Лише у 1952 році індійський фізик Наріндер Сингх Капані (Narinder Singh Kapany) провів серію власних експериментів, які і привели до винаходу оптоволокна. Фактично їм був створений той самий джгут із скляних ниток, причому оболонка і серцевина були зроблені з волокон з різними показниками заломлення. Оболонка фактично служила дзеркалом, а серцевина була прозорішою – так удалося вирішити проблему швидкого розсіювання. Якщо раніше промінь не доходив та кінця оптичної нитки, і неможливо було використовувати такий засіб передачі на тривалих відстанях, то тепер проблема була вирішена. Наріндер Капані до 1956 року удосконалив технологію. В'язка гнучких скляних прутов передавала зображення практично без втрат і спотворень.

Розділ 1. Матеріали які використовуються для одержання оптичних волокон

1.1 Властивості кварцу

З більшості видів стекол найнижчим поглинанням у видимої області спектру володіє плавлений кварц - за умови високої міри очищення і гомогенності (однорідності по складу). Значні переваги кварцу обумовлені малими внутрішніми втратами на розсіювання. Висока температура плавлення кварцу (1610 З при швидкому нагріві, 1720 З при повільному), з одного боку, вимагає спеціальної технології для виготовлення оптичного волокна, а з іншої - допомагає позбавитися від різних домішок, які випаровуються при нижчих температурах. Стекла, вживані для виготовлення світлопроводів (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. Інший спосіб знизити показник заломлення плавленого кварцу - додати в нього фтор. На відміну від метастабільного характеру зміни цього показника в чистого боросилікату, зниження його в боросиликатного 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 молярній концентрації фтору на 1%. При цьому оптичні властивості кварцу не погіршуються [ 2 ].

Кварц з добавкою германію, який може бути використаний як матеріал серцевини оптоволокна, має широке вікно прозорості майже до 1,7мкм Більш переважним як легуючий матеріал (як дешевшого) є фосфорний ангідрид Р2О5. При додаванні до плавленого кварцу Р2О5 для утворення бінарного скла внутрішнє поглинання матеріалу і розсіювання майже не збільшуються. Показник заломлення фосфоросилікатного скла збільшується лінійно (в усякому разі, для невеликого вмісту оксиду фосфору) із збільшенням концентрації Р2О5. Початковий приріст показника заломлення при зміні молярної концентрації Р2О5 на 1% складає 0,043%. В'язкість і температурний коефіцієнт лінійного розширення P2O5 і SiO2 розрізняються, і це обмежує кількість фосфорного ангідриду, яка може бути введена в плавлений кварц для виготовлення оптоволокна.

1.2 Очищення силікатного скла

Якість очищення силікатного скла (SiO2), вживаного в даний час в оптичних волокнах з малими втратами, наближається до принципової межі, обумовленої властивостями самого скла [ 5 ]. Цей успіх в результаті виявлення і усунення всіх чинників, що обумовлюють оптичні втрати. Концентрації таких включень, як мідь, залізо і ванадій, були понижені до декількох долею на мільярд часток. Концентрація забруднення водою і гидроксогруппой (ВІН) були зменшені майже до настільки ж низького рівня. Допуски серцевини волокон, що випускаються зараз, на розміри і міру відхилення від кругового перетину менше, ніж один мікрон на багато кілометрів довжини. Бульбашки і дефекти поверхні по суті усунені. Чистота вихідних речовин, вживаних для виготовлення скла, в значній мірі визначає його високу якість по всіх контрольованих параметрах. У випадку з оксидними стеклами, до яких відноситься і кварцеве, основні втрати пов'язані з поглинанням іонами перехідних металів (ванадію, заліза, хрому, міді, кобальту, нікелю, марганцю), а також гідроксильними групами. Отже, в більшості випадків переважно застосовувати кварцеві стекла, оскільки вони володіють рядом переваг. При цьому двоокис кремнію як складова частина може бути отримана з дуже високою мірою чистоти. Необхідні пари підбираються виходячи з експериментальних даних, умов експлуатації і кінцевої вартості виробу.

Деякі найбільш загальні типи стекол і їх композиції представлені в таблиці:

1.3 Полімерні волокна

Стекла - не єдиний прозорий матеріал у видимої і інфрачервоної області, прозорі і багато полімерів [ 9 ]. Полімери мають наступні переваги: з них легко формувати елементи, у тому числі і волоконні, вони дешевші, при їх виготовленні використовуються менші температури, чим для скла. Проте до недавнього часу оптичні втрати в полімерах були набагато вищі, ніж в склі. Проте втрати в полімерах можуть бути зменшені за рахунок зрушення смуги поглинання, пов'язаною з коливаннями C-H (полімер в основному складається із зв'язків вуглець-водень). Для цього необхідно замінити водень на фтор і із-за збільшення ефективної маси коливальної системи поглинання зрушиться в інфрачервону область, не використовуваною при передачі зображень[ 4 ]. Таким чином, можна отримати маленьке поглинання аж до довжин хвиль 1,3 мкм. Подібна заміна не зв'язана з великими витратами. Стекла і полімери - аморфні матеріали; бувають волокна полікристалічні, їх отримують за допомогою витискування з кристалічного стержня на спеціальній машині - екструдері. Полікристалічні волокна роблять зазвичай невеликої довжини - метри-десятки метрів і, як правило, використовують д передачі потужного лазерного випромінювання.

Пластикове, або полімерне, оптичне волокно, випереджає скловолокно по співвідношенню ціна-продуктивність. Пластикові світлопроводи здатні працювати в температурному режимі - від – 40С до + 85C. Без збитку 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 світлопроводу з легкістю досягати важкодоступних місць, проникаючи крізь велику кількість досить крутих перегинів [ 6 ]. Але пластикове волокно має один істотний недолік: порівняно велика дисперсія світлового імпульсу, поданого на вхід. Це обставина і обмежує максимальну довжину прольоту сотнею метрів, що цілком достатньо для передачі зображення на відстань всього декількох метрів.

Розділ 2. Методи та технологія виробництва оптичних волокон

2.1 Фізичні особливості оптичних волокон

Широкосмугова оптичних сигналів, обумовлена надзвичайно високою частотою, що несе оптоволокно . Це означає, що по оптичній лінії зв'язку можна передавати інформацію із швидкістю порядку 1 Терабіт/с.[ 7 ]

Кажучи іншими словами, по одному волокну можна передати одночасно 10 мільйонів телефонних розмов і мільйон відеосигналів. Швидкість передачі даних може бути збільшена за рахунок передачі інформації відразу в двох напрямах, оскільки світлові хвилі можуть поширюватися в одному волокні незалежно один від одного. Крім того, в оптичному волокні можуть поширюватися світлові сигнали двох різних поляризацій, що дозволяє подвоїти пропускну спроможність оптичного каналу зв'язку (рис.2.1).

(рис.2.1) Поширення світла в світловоді

На сьогоднішній день межа по щільності передаваної інформації по оптичному волокну не досягнута. А це означає, що до цих пір при настільки сильній завантаженості нашого Інтернету не знайшлося стільки інформації, яка при одночасної передачі привела б до зменшення швидкості передаваного потоку даних.

Дуже мале (в порівнянні з іншими середовищами) загасання світлового сигналу у волокні. Іншими словами втрата сигналу за рахунок опору матеріалу провідника. Кращі зразки російського волокна мають настільки мале загасання, що дозволяє будувати лінії зв'язку завдовжки до 100 км. без регенерації сигналів. У оптичних лабораторіях США розробляються ще "прозоріші", так звані фтороцирконатні волокна. Лабораторні дослідження показали, що на основі таких волокон можуть бути створені лінії зв'язку з регенераційними ділянками через 4600 км. при швидкості передачі порядка 1 Гбіт/с.

Волокно виготовлене з кварцу, основу якого складає двоокис кремнію, широко поширеного, а тому недорогого матеріалу, на відміну від міді, звідси і порівняно не велика ціна і практично відсутність випадків крадіжки з метою здачі на металобрухт

Оптичні волокна мають діаметр близько 1 – 0,2 мм, тобто дуже компактні і легкі, що робить їх перспективними для використання в авіації, приладобудуванні, в кабельній техніці.[ 8 ]

Скляні волокна - не метал, при будівництві систем зв'язку автоматично досягається гальванічна розв'язка сегментів. Застосовуючи особливо міцний пластик, на кабельних заводах виготовляють підвісні кабелі, що самонесущие, не містять металу і тим самим безпечні в електричному відношенні. Такі кабелі можна вмонтовувати на щоглах існуючих ліній електропередач, як окремо, так і вбудовані у фазовий дріт, економлячи значні засоби на прокладку кабелю через річки і інші перешкоди.

Системи зв'язку на основі оптичних волокон стійкі до електромагнітних перешкод, а передавана по світлопроводах інформація захищена від несанкціонованого доступу. Волоконно-оптичні лінії зв'язку не можна підслухати неруйнівним способом. Всякі дії на волокно можуть бути зареєстровані методом моніторингу (безперервного контролю) цілісності лінії. Теоретично існують способи обійти захист шляхом моніторингу, але витрати на реалізацію цих способів будуть настільки великі, що перевершать вартість перехопленої інформації. Наприклад ви все ж вирішили це зробити. Для виявлення перехоплюваного сигналу вам знадобиться перебудовуваний інтерферометр Майкельсона спеціальної конструкції. Причому, видимість інтерференційної картини може бути ослаблена великою кількістю сигналів, одночасно передаваних по оптичній системі зв'язку. Можна розподілити передавану інформацію по безлічі сигналів або передавати декілька шумових сигналів, погіршуючи цим умови перехоплення інформації. Буде потрібно значний відбір потужності з волокна, аби несанкціоновано прийняти оптичний сигнал, а це втручання легко зареєструвати системами моніторингу.[ 10 ]

Важлива властивість оптичного волокна - довговічність. Час життя волокна, тобто збереження ним своїх властивостей в певних межах, перевищує 25 років, що дозволяє прокласти оптико-волоконный кабель один раз і, в міру необхідності, нарощувати пропускну спроможність каналу шляхом заміни приймачів і передавачів на більш швидкодіючі, без заміни самого кабелю.

2.2 Технологія виробництва

Технології виробництва оптоволокна всього три десятки років. Це якщо вважати від моменту появи перших теоретичних робіт, в яких була показана принципова можливість створення світлопроводів 1 з прийнятним, менше 20 дБ/км, загасанням. Перші зразки, що задовольняють цій вимозі, були створені на початку сімдесятих років. А до того ясність, з чого краще всього робити світлопроводи, повністю відсутня: учені досліджували багатокомпонентні склади скла, пропонували навіть використовувати капіляри з рідиною. Врешті-решт зупинилися на волокні з кварцевого скла. Технологічний процес виготовлення світлопроводів на основі кварцевого скла ділиться на два етапи.

Перший етап - здобуття заготівки, яка є скляним стержнем завдовжки порядка метр і діаметром близько 10-20 мм. Для цього існує декілька способів кожен з них має свої переваги і недоліки.

2.3 Метод осадження з газової фази

Перший спосіб названий "модифікованим методом хімічного осадження з газової фази" (MCVD). Уявіть собі подібність токарного верстата, в якому на місце різця встановлений киснево-водневий пальник [ 9 ]. У верстат затискається скляна трубка і через неї на першому етапі пропускається хлорид кремнію і кисень (насправді склад суміші складніший). У гарячій зоні напроти пальника синтезується оксид кремнію. Утворюються, фігурально виражаючись, пушинки окисли, які дрейфують з гарячої області в холоднішу і прилипають до стінки. Цей процес називається термофорезом, він добре описується і пояснюється кінетичною теорією. Осадження відбувається не в місці нагріву полум'ям, а перед ним - там, куди полум'я ще не дійшло. На поверхні трубки утворюється пористий шар окислу, і, рухаючись далі, пальник його проплавляє - склить. Так виходить шар чистого скла. При наступних проходах через трубку пропускають ще і германій у вигляді хлориду . Таким чином легують матеріал світлопровода, створюючи в нім градієнт коефіцієнта заломлення. Після того, як необхідне число шарів готове, подачу хлоридів вимикають, а температуру полум'я збільшують - в результаті трубка плавиться і схлопується просто під дією сил поверхневого натягнення.

Страницы: 1, 2