Оптическое волокно

<час />

Фон

Оптическое волокно представляет собой одиночную тонкую нить накала, вытянутую из расплавленного кварцевого стекла. Эти волокна заменяют металлический провод в качестве среды передачи в высокоскоростных системах связи с высокой пропускной способностью, которые преобразуют информацию в свет, который затем передается по оптоволоконному кабелю. В настоящее время американские телефонные компании являются крупнейшими пользователями оптоволоконных кабелей, но эта технология также используется для линий электропередач, локальных компьютерных сетей доступа и передачи видео.

Александр Грэм Белл, американский изобретатель, наиболее известный разработкой телефона, впервые попытался общаться с помощью света примерно в 1880 году. Однако световая связь стала возможной только в середине двадцатого века, когда передовые технологии предоставили источник передачи, лазер, и эффективная среда - оптическое волокно. Лазер был изобретен в 1960 году, а шесть лет спустя исследователи в Англии обнаружили, что волокна из кварцевого стекла могут переносить световые волны без значительного затухания или потери сигнала. В 1970 году был разработан новый тип лазера, и первые оптические волокна были произведены в промышленных масштабах.

В волоконно-оптической системе связи кабели из оптических волокон соединяют линии передачи данных, содержащие лазеры и световые детекторы. Для передачи информации канал данных преобразует аналоговый электронный сигнал - телефонный разговор или выходной сигнал видеокамеры - в цифровые импульсы лазерного света. Они проходят по оптическому волокну в другой канал передачи данных, где детектор света преобразует их в электронный сигнал.

Сырье

Оптические волокна состоят в основном из диоксида кремния (SiO ₂ ), хотя часто добавляются незначительные количества других химикатов. Высокоочищенный порошок диоксида кремния использовался в устаревшем методе изготовления тиглей, в то время как жидкий тетрахлорид кремния (SiCl ₄ ) в газообразном потоке чистого кислорода (02) является основным источником кремния для широко распространенного в настоящее время метода осаждения из паровой фазы. Другие химические соединения, такие как тетрахлорид германия (GeCl ₄ ) и оксихлорид фосфора (POC1 ₃ ) можно использовать для производства оптоволоконных сердечников и внешних оболочек или оболочек, с функционально-зависимыми оптическими свойствами.

Поскольку чистота и химический состав стекла, используемого в оптических волокнах, определяют наиболее важную характеристику волокна - степень затухания, - исследования теперь сосредоточены на разработке стекол с максимально возможной чистотой. Очки с высоким содержанием фтора наиболее перспективны для улучшения характеристик оптического волокна, поскольку они прозрачны почти для всего диапазона частот видимого света. Это делает их особенно ценными для многомодовых оптических волокон, которые могут одновременно передавать сотни дискретных световых сигналов.

Дизайн

В оптоволоконном кабеле многие отдельные оптические волокна связаны между собой вокруг центрального стального кабеля или высокопрочного пластикового держателя для поддержки. Затем эта сердцевина покрывается защитными слоями из таких материалов, как алюминий, кевлар и полиэтилен (оболочка). Поскольку сердцевина и оболочка изготовлены из немного разных материалов, легкий Для изготовления оптического волокна слои диоксида кремния сначала наносятся на внутреннюю поверхность полого стержня подложки. Это делается с помощью модифицированного химического осаждения из паровой фазы, при котором на стержень подается газовый поток чистого кислорода в сочетании с различными химическими парами. Когда газ контактирует с горячей поверхностью стержня, внутри стержня образуется стекловидная сажа толщиной в несколько слоев.
После того, как сажа накапливается до желаемой толщины, стержень подложки проходит через другие этапы нагрева, чтобы удалить влагу и пузырьки, застрявшие в слоях сажи. Во время нагрева стержень подложки и внутренние слои сажи затвердевают с образованием були или заготовки из диоксида кремния высокой степени чистоты. проходит через них с разной скоростью. Когда световая волна, распространяющаяся в сердцевине волокна, достигает границы между сердцевиной и оболочкой, эти различия в составе между ними заставляют световую волну изгибаться обратно в сердцевину. Таким образом, когда световой импульс проходит через оптическое волокно, он постоянно отражается от оболочки. Импульс движется по оптическому волокну со скоростью света - 186 290 миль в секунду (299 340 километров в секунду) в вакууме, что несколько медленнее на практике - теряя энергию только из-за примесей в стекле и из-за поглощения энергии неоднородностями в стекле. стеклянная конструкция.

Потери энергии (затухание) в оптическом волокне измеряются в единицах потерь (в децибелах, единицах энергии) на расстояние волокна. Обычно в оптическом волокне потери составляют всего 0,2 децибела на километр, что означает, что после определенного расстояния сигнал становится слабым и его необходимо усилить или повторить . При современной технологии передачи данных повторители лазерных сигналов необходимы примерно каждые 30 километров (18,5 миль) в кабеле дальней связи. Однако текущие исследования чистоты оптических материалов направлены на увеличение расстояния между повторителями оптического волокна до 100 километров (62 миль).

Есть два типа оптических волокон. В одномодовом волокне сердцевина меньше, обычно 10 микрометров (микрометр составляет одну миллионную метра) в диаметре, а оболочка - 100 микрометров в диаметре. Одномодовое волокно используется для переноса только одной световой волны на очень большие расстояния. Пучки одномодовых оптических волокон используются в междугородных телефонных линиях и подводных кабелях. Многомодовые оптические волокна с диаметром сердцевины 50 микрометров и диаметром оболочки 125 микрометров могут передавать сотни отдельных сигналов световых волн на более короткие расстояния. Этот тип волокна используется в городских системах, где многие сигналы должны передаваться на центральные коммутационные станции для распределения.

После подготовки твердой стеклянной преформы ее переносят в систему вертикальной вытяжки. В этой системе сначала нагревается преформа. При этом на его конце образуется капля расплавленного стекла, которая затем отпадает, позволяя вытянуть единственное оптическое волокно внутри.
Затем волокно проходит через машину, где проверяется его диаметр, наносится защитное покрытие и отверждается под действием тепла. Наконец, он наматывается на катушку.

Производственный
процесс

Как сердцевина, так и оболочка оптического волокна изготовлены из кварцевого стекла высокой степени очистки. Оптическое волокно изготавливают из диоксида кремния одним из двух способов. Во-первых, тигельный метод, в котором порошкообразный диоксид кремния плавится, дает более толстые многомодовые волокна, подходящие для передачи на короткие расстояния многих сигналов световых волн. Второй, процесс осаждения из паровой фазы, создает сплошной цилиндр из материала сердцевины и оболочки, который затем нагревается и втягивается в более тонкое одномодовое волокно для связи на большие расстояния.

Существует три типа методов осаждения из паровой фазы:осаждение из паровой фазы, аксиальное осаждение из паровой фазы и модифицированное химическое осаждение из паровой фазы (MCVD). В этом разделе основное внимание будет уделено процессу MCVD, наиболее распространенному производственному методу, применяемому в настоящее время. MCVD дает волокно с низкими потерями, которое хорошо подходит для кабелей большой протяженности.

Модифицированный химический пар
Осаждение

• 1 Во-первых, цилиндрическую заготовку изготавливают путем нанесения слоев диоксида кремния специальной формулы на внутреннюю поверхность полого стержня подложки. Слои наносятся путем подачи на стержень подложки струи газообразного чистого кислорода. Различные химические пары, такие как тетрахлорид кремния (SiCl ₄ ), тетрахлорид германия (GeCl ₄ ) и оксихлорид фосфора (POC1 ₃ ), добавляются в поток кислорода. Когда кислород контактирует с горячей поверхностью стержня - пламя под стержнем сохраняет стенки стержня очень горячими, - образуется диоксид кремния высокой чистоты. В результате внутри стержня оседает стекловидная сажа толщиной в несколько слоев. Эта сажа станет сердцевиной. Свойства этих слоев сажи могут изменяться в зависимости от типов используемых химических паров.
• 2 После того, как сажа накапливается до желаемой толщины, стержень подложки перемещается через другие этапы нагрева, чтобы удалить все Типичный оптоволоконный кабель обычно включает несколько оптических волокон вокруг центрального стального кабеля. В зависимости от суровых условий окружающей среды, в которой будет проложен кабель, наносятся различные защитные слои. влага и пузырьки застревают в слоях сажи. Во время нагрева стержень подложки и внутренние слои сажи затвердевают с образованием були или заготовки из диоксида кремния высокой степени чистоты. Преформа обычно имеет диаметр от 10 до 25 миллиметров (от 0,39 до 0,98 дюйма) и от 600 до 1000 миллиметров (от 23,6 до 39,37 дюйма) в длину.

Рисование волокон

• 3 Затем твердая преформа автоматически переносится в систему вертикальной вытяжки волокна. Машины, составляющие типичную вертикальную вытяжную систему, могут быть двухэтажными и способны производить непрерывные волокна длиной до 300 километров (186 миль). Эта система состоит из печи для плавления конца преформы, датчиков для контроля диаметра волокна, вытягиваемого из преформы, и устройств для нанесения покрытий для нанесения защитных слоев на внешнюю оболочку.
• 4 Преформа сначала проходит через печь, где нагревается примерно до 3600 градусов по Фаренгейту (около 2000 градусов по Цельсию). Затем на конце заготовки образуется капля расплавленного стекла, называемая «капля», очень похожая на каплю воды, которая собирается на дне протекающего крана. Затем капля отваливается, и единственное оптическое волокно внутри вытягивается из заготовки. Когда оптическое волокно вытягивается из заготовки, материал исходного стержня подложки образует оболочку, а диоксид кремния, осажденный в виде сажи, образует сердцевину оптического волокна.
• 5 По мере вытягивания волокна измерительные устройства контролируют его диаметр и концентричность, а другое устройство наносит защитное покрытие. Затем волокно проходит через печь для отверждения и другое измерительное устройство, которое контролирует диаметр, прежде чем наматывается на катушку.

Контроль качества

Контроль качества начинается с поставщиков химических соединений, используемых в качестве сырья для стержней подложки, химических реагентов и волоконных покрытий. Поставщики специализированных химикатов предоставляют подробный химический анализ составляющих соединений, и эти анализы постоянно проверяются компьютеризированными анализаторами, подключенными к технологическим сосудам.

Инженеры-технологи и высококвалифицированные технические специалисты внимательно наблюдают за герметичными сосудами, поскольку создаются преформы и вытягиваются волокна. Компьютеры используют сложные схемы управления, необходимые для управления высокими температурами и давлениями производственного процесса. Точные измерительные устройства постоянно контролируют диаметр волокна и обеспечивают обратную связь для управления процессом вытяжки.

Будущее

Оптические волокна будущего появятся в результате продолжающихся исследований материалов с улучшенными оптическими свойствами. В настоящее время кварцевые стекла с высоким содержанием фторидов являются наиболее перспективными для оптических волокон, поскольку их потери на затухание даже ниже, чем у современных высокоэффективных волокон. Экспериментальные волокна, вытянутые из стекла, содержащего от 50 до 60 процентов фторида циркония (ZrF ₄ ), теперь показывают потери в диапазоне от 0,005 до 0,008 децибел на километр, тогда как более ранние волокна часто имели потери в 0,2 децибела на километр.

Помимо использования более изысканных материалов, производители волоконно-оптических кабелей экспериментируют с улучшением технологических процессов. В настоящее время в самых сложных производственных процессах используются высокоэнергетические лазеры для плавления преформ для вытяжки волокна. Волокна можно вытягивать из преформы со скоростью от 10 до 20 метров (от 32,8 до 65,6 футов) в секунду, а одномодовые волокна длиной от 2 до 25 километров (от 1,2 до 15,5 миль) можно вытягивать из одной преформы. По крайней мере, одна компания сообщила о создании оптоволоконных кабелей протяженностью 160 километров (99 миль), и частота, с которой оптоволоконные компании в настоящее время переоснащают оборудование - каждые восемнадцать месяцев, - предполагает, что впереди еще большие инновации. Эти достижения будут частично обусловлены растущим использованием оптических волокон в компьютерных сетях, а также растущим спросом на эту технологию на растущих международных рынках, таких как Восточная Европа, Южная Америка и Дальний Восток.