XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Производство оптических волокон достаточно сложная операция. Различные технологии производства заготовок вносят в характеристики волокон те или иные изменения. В ближайшие годы истекает срок патентов на производство оптического волокна различными методами, и битва между производителями будет более открытой. В своей работе я попробую описать оптические волокна, их характеристики, области применений, а также материалы и технологии их изготовления.

Уровень современной цивилизации определяется объемом передаваемой и перерабатываемой информации. XXI век станет веком всеобъемлющей информатизации общества. Это уже сейчас подтверждается бурным развитием информационных технологий, созданием глобальных сетей связи и телекоммуникаций, становлением и развитием всемирной компьютерной сети Internet, обусловившей взрывной рост спроса на объемы передаваемой информации. По имеющимся в литературе данным только за период с 1995 -1999 годы трафик сети Internet увеличился в 30 раз, а потребности в полосе частот (или скорости передаваемой информации) возрастают еще быстрее. Аналогичные прогнозы в этом направлении существуют и на ближайшие годы. Этот информационный бум напрямую связан с экономическим развитием общества. Как показывают аналитические исследования специалистов, увеличение объема передаваемой информации будет только расти.

Единственной передающей средой, способной обеспечить такие информационные потоки, является оптическое волокно. Вот почему волоконно-оптические технологии, приборы и системы связи являются ключевым направлением развития информационных систем, определяющим в современных условиях (и в ближайшем будущем) уровень развития страны и степень ее безопасности.

Прогресс, достигнутый в производстве оптических волокон, уже сейчас позволяет передавать информацию со скоростями в сотни Гбит/с на расстояния в сотни километров без регенерации сигнала. Относительная дешевизна массового производства волоконно-оптического кабеля приводит к возрастающему вытеснению спутниковой связи волоконно-оптической даже на рынке межконтинентальных телекоммуникаций. Серьезными аргументами в пользу волоконно-оптических систем являются также высокая помехозащищенность и электромагнитная совместимость каналов связи, скрытность предаваемой по ним информации. Помимо систем связи волоконная оптика находит широкое применение в измерительных приборах и системах. Очень перспективны в настоящее время волоконно-оптические датчики, которые, не уступая традиционным датчикам в чувствительности, имеют ряд существенных преимуществ, таких как высокая устойчивость к воздействию внешних факторов, помехозащищенность, малый вес и габариты, экономичность. В последние годы созданы и продолжают активно разрабатываться волоконно-оптические лазеры и усилители света, которые открывают возможности создания уникальных, полностью оптических информационных систем, включающих в себя оптический компьютер с огромным быстродействием, волоконно-оптические сенсоры. Компьютер подключается к внешним волоконным линиям связи также с помощью оптических волокон.

Волоконно-оптические линии связи - это вид связи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием "оптическое волокно". Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния.

К основным физическим особенностям оптического волокна можно отнести широкополосность оптических сигналов, которая обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей (F_o=10¹⁴ Гц). Это означает, что по оптической линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка 10¹² бит/с или Тбит/с. Говоря другими словами, по одному волокну можно передать одновременно 10 миллионов телефонных разговоров и миллион видеосигналов, а также очень малое (по сравнению с другими средами) затухание светового сигнала в волокне. Лучшие образцы российского волокна имеют затухание 0.22 дБ/км на длине волны 1.55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов. Для сравнения, лучшее волокно Sumitomo на длине волны 1.55 мкм 8 позволит производить крупные заготовки в большом объеме. Большинство из них, вероятно, выберет способ с использованием кварцевого порошка, для которого уже имеется оборудование и разработана технология. Академик Дианов Е.М., основоположник волоконной оптики в СССР и России, директор центра волоконной оптики в институте общей физики РАН, назвал XXI век – «тераэрой», т.е. эрой в которой будут достигнуты терабитные скорости передачи информации.

Общая классификация материалов для волоконной оптики включает в себя несколько принципов. Например, классификация по функциональному назначению. Тогда, все материалы для оптических волокон по своему функциональному назначению можно условно разделить на два класса: пассивные и активные.

Пассивные или передающие оптические материалы. Из этих материалов изготавливают оптические волокна, которые используются для передачи информации в виде оптических сигналов или изображения на большие, средние и короткие расстояния. В роли таких материалов выступают высокочистые, высокопрозрачные и высокооднородные неорганические стекла, стеклокерамики и органические полимеры.

Активные материалы позволяют проводить разнообразные функциональные операции со световыми сигналами и потоками – усиливать, модулировать, вращать плоскость поляризации, отклонять в пространстве и т.д. Такие материалы легированы специальными активаторами и добавками. Например, ионами редкоземельных элементов - эрбием, иттербием, неодимом, празеодимом, ионами переходных металлов - хромом, никелем, ванадием, кобальтом и т.д., фоточувствительными ионами (церием, серебром, железом), наноразмерными металлическими частицами серебра, золота, меди и т.д.

Оптическое волокно изготавливают из кварца, основа которого состоит из двуокися кремния, который широко распространен, а потому не столь дорог, как, к примеру, медь. Кроме того, волокна также могут быть изготовлены из полимеров и фосфатосиликатного стекла.  Чтобы выбрать материал, из которого изготавливается оптоволоконная оптика, следует учитывать следующие факторы:

Элементы оптического волокна должны быть качественно скреплены между собой.

При изготовлении волокна проходит процесс быстрой фиксации состояния материала, при прохождении которого некоторые размягченные материалы должны спекаться друг с другом

Технология изготовления волокна связана с постоянными термообработками.

Так, к примеру, подвесной кабель, который используется для осуществления абонентской связи и предназначается для подвески на столбах или зданиях, состоит из полиэтилена или иного материала, который не будет подвергаться горению. На сегодняшний день существуют методы изготовления подвесного кабеля с применением водоблокирующего материала. Важно также помнить, что подобный кабель постоянно подвергается вибрации, в связи с чем, он должен обладать высоким уровнем к вибрационным нагрузкам (до 299 Гц).

Бронированный кабель обычно изготавливают с медной жилой, а изоляция и оболочка – из пластика поливинилхлоридного без защитного покрова. Чтобы сохранить кабель от грызунов или других механических повреждений, необходимо применять броню и оборудовать кабель дополнительным покровом. Благодаря использованию таких материалов, подобный кабель может использовать при температуре от – 5- до + 50. Необходимо также помнить, что максимально возможный радиус изгиба кабеля – не более 25 диаметров. При правильной эксплуатации, срок службы бронированного кабеля, который обычно прокладывают в канализациях городской черты, составляет 25-30 лет.

После того, как впервые был использован первый оптический кабель, сразу стали видны все преимущества, которыми он обладает. В первую очередь, конечно, это связано с тем, что при его изготовлении стали использовать только самые современные обработки и способы создания. Это позволило добиться высокого уровня защиты от доступа к сети посторонних лиц. Используемая чувствительность волокон, при проведении мониторинга, сумеет мгновенно отключить взламываемый канал связи, и тут же подать тревожный сигнал. К примеру, подобные системы используются для создания линий связи в банковских и правительственных объектах, где необходим строгий контроль и секретность передаваемой информации. Отмечается и другая особенность. Оказывается, оптический кабель, созданный из кварца, будет гораздо ниже по стоимости, чем обычный медный кабель, что связано с распространением кварца.

Новая технология, основанная на методе наращивания оболочки путем засыпки кварцевой крошки, дала возможность фиксировать и стабилизировать сложные и асимметричные структуры в кварцевом песке до начала затвердевания представляется главным преимуществом этой технологии.

Высокая твердость, тугоплавкость и химическая инертность этого материала обеспечивает надежную эксплуатацию изготовленных из него изделий в агрессивных средах и при высоких температурах. Кварцевое стекло - широко распространенный в земной коре диоксид кремния (SiO₂), являясь одним из основных стеклообразователей, использовался человеком для различных целей с древнейших времен. Его кристаллическая модификация в виде кристаллов кварца давно используется для получения кварцевого стекла. Благодаря ряду уникальных свойств оно нашло применение во многих отраслях промышленности. Кварцевое стекло обладает высокой прозрачностью в УФ, видимой и ближней инфракрасной области спектра (от 0,2 до 1,7 мкм), достигая затухания менее 0,2 дБ/км на длине волны 1,55 мкм. Прочность кварцевых световодов в герметичном покрытии на растяжение достигает 12 - 14 ГПа, что существенно выше прочности лучших сортов стали. Расчетный предел прочности составляет 15 - 25 ГПа. Кварцевое стекло обладает высокой термостойкостью: нагретые до температуры 1000-1200 градусов по Цельсию стержни из плавленого кварца не разрушается при погружении в воду.

В настоящее время технология изготовления оптических волокон развивается быстрыми темпами, для изготовления кварцевого волокна применяются новые примеси и новые способы производства. Новые технологии позволят изготовить оптические волокна, способные передавать огромные объемы информации.

Литература

Жиро А. Технологии производства оптических волокон. обзор последних разработок // Кабели и Провода, - 2009, - № 317, - С. 22-27.

Материалы, применяемые для изготовления оптического кабеля. [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: http://www.fibercity.ru/poleznaya-informatsiya/stati/materialy-primenyaemye-dlya-izgotovleniya-opticheskogo-kabelya-/ – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 21.12.2018)

Никоноров Н.В., Сидоров А. И. Материалы и технологии волоконной оптики: специальные оптические волокна, - Санкт-Петербург: , 2009. - 130 с.

Код для цитирования: Скопировать